1
Analisis Kekuatan dan Deformasi Piston Mesin Bensin-Bio Etanol dan Gas dengan Injeksi Langsung dengan Simulasi Numerik Moch. Wahyu Kurniawan dan Agus Sigit Pramono Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia email:
[email protected] Abstrak — Salah satu langkah yang diambil pada pengembangan pembuatan kendaraan nasional adalah dengan melakukan modifikasi pada pistonnya. Perubahan ini dimaksudkan untuk memenuhi kebutuhan mesin yang akan menggunakan sistem injeksi langsung. Pada sistem injeksi dibutuhkan bentuk kepala piston sedemikian rupa sehingga bisa memnuhi kebutuhan efek turbulensi. Modifikasi mesin ini bertujuan untuk mendapatkan rasio kompresi yang lebih besar sehingga diperoleh tenaga yang lebih besar pula. Dengan tenaga yang dihasilkan lebih besar maka beban yang diterima piston pun semakin besar, sehingga perlu diketahui bagaimana kemampuan piston tersebut dalam menerima beban yang berasal dari tegangan akibat tekanan pembakaran dan tegangan akibat thermal stress. Selain itu, deformasi yang terjadi perlu untuk diperhatikan karena bisa mengganggu proses pemabakaran itu sendiri jika deformasi yang terjadi tidak sesuai dengan toleransinya. Penelitian ini dilakukan dengan pengumpulan data piston yang meliputi dimensi, geometri, material, tekanan, dan temperatur. Piston kemudian dimodelkan dalam bentuk model 3D. Simulasi yang digunakan adalah analisis thermal-stress yang merupakan gabungan dari static structural dan steady-state thermal. Data properti material dimasukkan ke engineering data. Model 3D kemudian diimport ke dalam geometry. Model 3D di-meshing. Parameter kondisi batas pada simulasi static structural berupa tekanan, tumpuan, percepatan dan gravitasi serta untuk simulasi steady state thermal berupa temperatur dan koefisien konveksi. Solusi simulasi numerik yang dipilih adalah temperatur, tegangan, displacement, safety factor dan life cycle. Dari simulasi didapatkan bahwa piston modifikasi belum aman terhadap beban yang diterimanya. Umur kerja yang didapatkan pun jauh lebih kecil bila dibandingkan piston existing. Deformasi piston modifikasi lebih besar bila dibandingkan pada piston existing. Tegangan dan deformasi akibat efek termal relatif lebih besar daripada akibat beban mekanik. Kata Kunci—Piston, Simulasi Numerik, Kekuatan Material, Deformasi
K
I. PENDAHULUAN
ebutuhan manusia akan kendaraan khususnya di Indonesia terus meningkat dari tahun ke tahun. Selama ini di Indonesia untuk memenuhi kebutuhan kendaraan tersebut masih bergantung dari luar negeri. Oleh sebab itu, perlu dirancang kendaraan buatan dalam negeri yang mampu memenuhi kebutuhan rakyat Indonesia. Kendaraan nasional tersebut mampu bekerja sesuai dengan kondisi yang ada di Indonesia. Salah satu langkah pada pengembangan pembuatan kendaraan nasional tersebut dengan melakukan modifikasi pada pistonnya. Mesin yang akan dibangun menggunakan
sistem injeksi langsung. Sistem ini membutuhkan bentuk kepala piston yang sedemikian rupa untuk memenuhi kebutuhan turbulensi pada saat pemasukan bahan bakar dan udara. Sehingga dibutuhkan perubahan bentuk kepala piston untuk memenuhi kebutuhan tersebut. Dengan pengembangan mesin tersebut diharapkan akan menaikkan rasio kompresinya sehingga menaikkan tenaga yang dihasilkan. Tenaga yang semakin besar akan menimbulkan beban yang lebih besar pada piston. Beban yang diterima piston berasal dari tegangan yang dihasilkan tekanan pambakaran dan tegangan akibat thermal stress. Selain itu beban yang mengenai piston tersebut tentu menghasilkan deformasi. Deformasi ini perlu untuk diperhatikan karena bisa mengganggu proses pembakaran itu sendiri jika deformasi yang terjadi tidak sesuai dengan toleransinya. Untuk mengetahui sejauh mana perubahan tersebut terjadi pada piston maka perlu dilakukan pengamatan yang salah satunya bisa dilakukan dengan simulasi numerik. Simulasi numerik memiliki keuntungan dalam penghematan waktu dan biaya. Dari hasil simulasi ini bisa dilihat beberapa aspek yang diamati antara lain distribusi tegangan, distribusi deformasi, dan distribusi temperatur. Simulasi numerik pada piston dimulai dengan mengambil data – data dari piston tersebut. Data tersebut di antaranya gambar teknik piston, spesifikasi mesin dan properti material piston. Dari data dilakukan permodelan tiga dimensi. Model tiga dimansi kemudian di-meshing. Kondisi batas dimasukkan berdasarkan data yang telah diperoleh. Kemudian simulasi dilakukan untuk mendapatkan solusi yang dipilih [1]. Simulasi numerik pada piston yang telah dilakukan oleh A.P. Ghodake dan K. N . Patil dilakukan dengan kondisi batas tekanan yang dikenakan pada crown piston dan tumpuan pada tempat pin piston. Piston disimulasikan sebagai komponen tersendiri tanpa melibatkan komponen lain [2]. Kondisi batas pada analisis temperatur yang telah dilakukan oleh P. Gudimental dan C.V. Gopinath yaitu temperatur yang dikenakan pada crown piston dan koefisien konveksi yang dikenakan pada sisi – sisi piston [3].
2 II. KEKUATAN MATERIAL
Hasil permodelan tiga dimensi adalah sebagai berikut :
Untuk mengetahui kekuatan material dan ketahanan terhadap kelelahan dapat dilakukan dengan membandingkan tegangan pada benda uji dengan tegangan ijinnya. Beberapa teori yang bisa digunakan untuk mengetahui kekuatan material dan ketahanan terhadap kelelahan di antaranya sebagai berikut [4] : Teori Tegangan Geser Maksimal (Maximum Shear Stress Theory)
1 1 1 2 Ssyp S yp 2 2
Teori Energi Distorsi Maksimal (Maximum Distortion Energy Theory)
S yp 1 2 N 2 1
2
2 2
Gambar 1 Model Piston Existing
Kelelahan Pada beban yang berfluktuasi, mean stress σm dan amplitude stress σa didefinisikan sebagai berikut : min min dan a max m max 2 2 Dengan pendekatan berdasarkan Teori Goodman, equivalent alternating stress bisa didapatkan dengan rumus sebagai berikut :
a m 1 a e S U a e a m
Gambar 2 Model Piston Modifikasi
1 SU
Untuk menghitung umur kerja salah satunya bisa menggunakan pendekatan dengan persamaan Basquin berikut ini :
a e A( N) B S U ( N f ) B
Di mana B merupakan kemiringan dari diagram S/N, sehingga umur kerja bisa dirumuskan :
Nf B
a e
B. Meshing Jenis elemen yang digunakan untuk meshing adalah elemen tetrahidron. Dan berikut adalah gambar 3 dan gambar 4 yang menunjukkan hasil dari meshing yang dilakukan. Sebelumnya dilakukan analisis pengaruh jumlah elemen terhadap hasil simulasi numerik untuk menentukan jumlah elemen yang dipakai. Pada psiton existing jumlah elemen mulai tidak berpengaruh signifikan pada jumlah elemen 37000. Pada psiton modifikasi jumlah elemen mulai tidak berpengaruh signifikan pada jumlah elemen 23300. Jumlah elemen tersebutlah yang digunakan untuk mendapatkan solusi yang diinginkan.
SU
III. SIMULASI NUMERIK A. Permodelan Benda Uji Untuk memodelkan piston dalam bentuk model tiga dimensi diperlukan data dimensi dan goemetri piston. Data tersebut diperoleh dengan pengukuran manual terhadap model piston yang sudah ada. Dari pengukuran tersebut secra garis besar didapatkan dimensi sebagia berikut. Tabel 2 Dimensi Piston
Jenis Piston Diameter Atas Diameter Bawah Tinggi Piston
Existing 75,4 mm 75,9 mm 57 mm
Modifikasi 75,4 mm 75,9 mm 42 mm
Gambar 3 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Temperatur pada Piston Existing
49
3
Gambar 4 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Tegangan pada Piston Existing
Gambar 8 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Displacement pada Piston Modifikasi
Dan berikut ini adalah gambar hasil meshing.
Gambar 5 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Displacement pada Piston Existing Gambar 3 Hasil Meshing Piston Existing
Gambar 6 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Temperatur pada Piston Modifikasi
Gambar 4 Hasil Meshing Piston Modifikasi
C. Kondisi Batas Untuk simulasi steady-state thermal digunakan kondisi kondisi beban berupa temperatur dan perpindahan panas konveksi. Beban temperatur dikenakan pada bagian atas piston (crown). Perpindahan panas konveksi terjadi di sisi – sisi piston. Beban temperatur pada piston existing sebesar 2660C dan pada piston modifikasi sebesar 4540C [5]. Sedangkan besarnya koefisien konveksi sebesar 3270 W/m2.K [6]. Gambar 7 Pengaruh Jumlah Elemen terhadap Tegangan pada Piston Modifikasi
Untuk simulasi static structural digunakan kondisi beban seperti yang dapat dilihat pada tabel 1 berikut ini. Beban tekanan dikenakan pada bagian atas piston (crown). Tumpuan remote displacement dikenakan pada tempat pin
4 piston. Percepatan dan gravitasi berada pada titik pusat massa piston.
B. Tegangan
Tabel 2 Besar Tekanan pada Masing – Masing Piston
No.
Kondisi Batas
1 2 3 4 5
Tekanan Remote Displacement Percepatan Percepatan Gravitasi Loading ratio
Piston Existing 5,5 MPa 71 mm 8720 m/s2 9,81 m/s2 0,0182
Piston Modifikasi 5,9 MPa 71 mm 8577 m/s2 9,81 m/s2 0,0165
IV. HASIL SIMULASI
Gambar 7 Hasil Simulasi Tegangan Ekuivalen pada Piston Existing
A. Temperatur
Gambar 5 Hasil Simulasi Temperatur pada Piston Existing
Gambar 8 Hasil Simulasi Tegangan Ekuivalen pada Piston Modifikasi
Pada piston existing tegangan ekuivalen terbesar terjadi di bagian dalam piston pada struktur penguat kepala piston sebesar 201 MPa. Tegangan yang disebabkan oleh beban mekanik bisa mencapai 108 MPa. Sedangkan tegangan yang disebabkan oleh efek thermal stress mencapai 170 MPa. Pada piston modifikasi tegangan terbesar terjadi pada bagian skirt di bawah tempat ring oli seperti ditunjukkan pada gambar 8, sedangkan pada bagian yang sama pada sisi seberangnya tegangan yang terjadi sebesar 240 MPa. Tegangan yang disebabkan oleh beban mekanik bisa mencapai 195 MPa. Sedangkan tegangan yang disebabkan oleh efek thermal stress mencapai 255 MPa. Gambar 6 Hasil Simulasi Temperatur pada Piston Modifikasi
Pada piston existing temperatur berdistribusi dari 2660C samapai 31,1420C. Temperatur tertinggi terjadi pada crown piston. Temperatur yang relatif tinggi terjadi sampai seluruh ketebalan kepala piston dan sedikit masuk ke dalam pada struktur penguat antara kepala piston dan tempat pin piston. Temperatur terendah terjadi pada ujung paling bawah skirt. Pada piston modifikasi temperatur berdistribusi dari 4540C samapai 57,9340C. Temperatur tertinggi terjadi pada crown piston. Temperatur yang relatif tinggi terjadi lebih ke dalam mencapai bagian atas tempat pin piston. Temperatur terendah terjadi pada ujung paling bawah skirt.
C. Deformasi
Gambar 9 Hasil Simulasi Deformasi Total pada Piston Existing
5 E. Pengaruh Modifikasi Piston Tabel 5 Perbandingan Hasil Simulasi Piston Existing dengan Piston Modifikasi
Jenis Angka Keamanan MSST Angka Keamanan MDET Umur Kerja (cycle) Deformasi pada sumbu x (mm) Deformasi pada sumbu y (mm) Deformasi pada sumbu z (mm)
Gambar 10 Hasil Simulasi Deformasi Total pada Piston Modifikasi
Pada piston existing didapatkan hasil bahwa deformasi terbesar yang terjadi sebesar 0,227 mm ke arah luar (mengembang) yang terjadi di daerah crown. Pada bagian skirt paling bawah piston existing deformasi terjadi sebesar 0,175 mm ke arah dalam. Pada piston modifikasi didapatkan hasil bahwa deformasi terbesar yang terjadi sebesar 0,391 mm ke arah luar (mengembang) yang terjadi di daerah crown. Pada bagian skirt paling bawah piston existing deformasi terjadi sebesar 0,26 mm ke arah luar. Efek dari beban mekanik dan beban termal terhadap deformasi yang terjadi dapat dilihat pada table 2 dan table 3 berikut ini. Tabel 3 Deformasi Maksimal pada Piston Existing
Deformasi (mm) Mekanik Thermal Kombinasi
Total 0,073 0,243 0,126
Arah x 0,113 0,241 0,227
Arah y 0,087 0,054 0,107
Arah z 0,042 0,152 0,128
Tabel 4 Deformasi Maksimal pada Piston Modifikasi
Deformasi (mm) Mekanik Thermal Kombinasi
Total 0,004 0,506 0,298
Arah x 0,042 0,487 0,391
Arah y 0,016 0,239 0,071
Arah z 0,023 0,341 0,298
D. Angka Keamanan dan Umur Kerja Pada piston existing tegangan geser maksimal terjadi di bagian dalam di daerah sekitar penyangga tempat pin piston. Pada piston modifikasi tegangan geser maksimal terjadi di di daerah skirt di bawah ring oli. Angka keamanan Teori Tegangan Geser Maksimal (MSST) pada piston existing adalah 1,34 dan pada piston modifikasi adalah 1,036. Pada piston existing tegangan ekuivalen maksimal terjadi di daerah struktur penguat kepala piston. Pada piston modifikasi tegangan ekuivalen relatif besar terjadi di daerah skirt di bawah ring oli sebagaimana tempat tegangan ekuivalen maksimal. Angka keamanan berdasarkan Teori Distorsi Energi Maksimal (MDET) pada piston existing adalah 1,39 dan pada piston modifikasi adalah 1,0587. Pada piston existing daerah kritis terhadap kelelahan berada pada bagian dalam piston yang memiliki bentuk geometri yang berbelok - belok. Umur kerja piston existing sebesar 4,92 x 105 cycle . Pada piston modifikasi daerah kritis terhadap kelelahan terdapat di daerah yang sama dengan daerah kritis tegangan. Umur kerja piston modifikasi sebesar 0,0958 x 105 cycle.
Existing 1,34 1,38 4,92×105 0,227
Modifikasi 1,03 1,05 0,096×105 0,391
0,107
0,071
0,128
0,298
Dari tabel perbandingan tersebut bisa diketahui bahwa terjadi penurunan angka keamanan pada piston modifikasi dibandingkan dengan piston existing. Umur kerja juga mengalami penurunan bahkan begitu begitu besar penurunannya. Deformasi yang terjadi lebih besar pada piston modifikasi daripada piston existing. V. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil simulasi yang didapatkan bisa disimpulkan sebagai berikut: Angka keamanan dan umur kerja mengalami penurunan yang besar sehingga membutuhkan perbaikan desain. Perbaikan bisa dilakukan dengan memberikan struktur penguat (chamfer) pada bagian skirt piston modifikasi yang menjadi konsentrasi tegangan. Desain silinder dan piston harus memiliki toleransi yang lebih besar dari nilai deformasi yang terjadi. Bentuk piston bisa dibuat dengan diameter bagian atas lebih kecil dari diameter bagian bawah. Angka toleransi yang bisa dipakai untuk bagian atas piston adalah 0,45 mm dan untuk bagian bawah adalah 0,2 mm. Untuk mengurangi efek termal yang cukup tinggi tersebut bisa mengoptimalkan pendinginan dari oli pelumas dan bisa juga ditambahkan pedinginan pada desain piston. Sistem pendinginan yang bisa dilakukan misalnya dengan membuat cavity pada bagian kepala piston sebagai tempat media pendingin.
DAFTAR PUSTAKA [1]
[2] [3] [4] [5]
[6]
S. N. Kurbet, Vinay V. Kuppast dan Vijaykumar N.Chalwa “Finite Element and MBD Analysis of Piston to Predict The Engine Noise” International Journal of Mechanical and Robotics Reseach (2013) 183-192. A.P. Ghodake dan K. N . Patil “Piston Design and Analysis by CAE Tools” National Symposium on engineering and research SDN COE & RC Yeola,33-36. P. Gudimental dan C.V. Gopinath “Finite Element Analysis of Reverse Engineered Internal Combustion Engine Piston” Bangkok. Int. J. of King Mongkut’s University North Bangkok (2009) 85-92. Richard G. Budynas, Advanced Strength and Applied Stress Analysis, Ed. China: McGraw-Hill (1999) 498-545. Dennis M. Ward, “Engine Piston Temperature Measurements for Thermal Loading Using A Fiber Bragg Grating (FBG) Embedded into The Piston Surface” M.S. thesis, Dept. Mech. Eng., University of Wisconsin, Madison, United States (2004). C.D. Rakopoulos, D.C. Eakopoulos, G.C. Mavropoulos, E.G. Giakoumis “Experimental and Theoritical Study of The Sort Term Response Temperature Transients in The Cylinder Walls of A Diesel Engine at Various Operating Conditions” Elsevier Applied Thermal Engineering (2003) 679-702.
