KAJIAN ALIRAN FLUIDA PADA MESIN OTTO EMPAT LANGKAH SATU SILINDER BERKAPASITAS 65 cc

KAJIAN ALIRAN FLUIDA PADA MESIN OTTO EMPAT LANGKAH SATU SILINDER BERKAPASITAS 65 cc Glenn Cahya D.R. Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Email: [email protected]

Abstrak Sebuah mesin berkapasitas kecil didesain untuk digunakan pada kompetisi Eco-marathon. Tantangan utama dalam mendesain mesin adalah bagaimana caranya memperoleh aliran turbulen yang kompleks pada fluida yang bergerak melalui intake/exhaust manifolds, katup, cylinder, dan piston. Bentuk aliran swirl pada ruang bakar sangat diharapkan terjadi karena dibutuhkan aliran dengan intensitas turbulen yang tinggi sesaat sebelum terjadi pembakaran, namun memiliki efisiensi termal yang tinggi. Gerak fluida di dalam silinder ruang bakar dapat dianalisis menggunakan parameter swirl ratio. Analisis dilakukan pada desain aktual cylinder head yang digunakan pada mesin Otto empat langkah satu silinder berkapasitas 65 cc dengan menggunakan bantuan perangkat lunak Autodesk Inventor untuk membuat geometri CAD dan Ansys Workbench untuk melakukan pemodelan CFD. Desain alternatif ruang bakar dengan intake manifold berbeda turut disimulasikan untuk dibandingkan dengan hasil simulasi yang dilakukan pada desain aktual. Kata kunci: Internal combustion engine, fluid flow, swirl ratio, computational fluid dynamics 1.

Pendahuluan Kompetisi Eco-Marathon merupakan kompetisi mobil irit bahan bakar tingkat benua yang melibatkan mahasiswa dan dosen untuk mengembangkan kendaraan irit bahan bakar. Kompetisi ini mewajibkan pesertanya untuk mendesain kendaraan sendiri untuk memperoleh efisiensi yang maksimal. Untuk berpartisipasi dalam kompetisi tersebut, Tim Nakoela Universitas Indonesia mengembangkan sebuah mesin Otto empat langkah satu silinder berkapasitas 65 cc. Banyak faktor yang mempengaruhi efisiensi dari mesin tersebut. Salah satu faktor yang paling penting adalah campuran antara udara dan bahan bakar di dalam combustion chamber dan gerakan aliran fluidanya. Tantangan utama pada desain mesin ini adalah bagaimana caranya memperoleh aliran turbulen yang kompleks pada elemen-elemen bergerak yang melalui intake/exhaust manifolds, katup, cylinder, dan piston. Untuk mendapatkan kondisi pembakaran yang

optimal dalam proses pengembangan mesin, desainer mesin harus mampu mengontrol karakteristik aliran yang umumnya diklasifikasikan sebagai swirl, tumble, dan squish di sudut pandang makroskopik, memodifikasi bentuk intake port, dan katup [1]. Bentuk aliran swirl pada ruang bakar sangat diharapkan terjadi karena dibutuhkan intensitas turbulen yang tinggi sesaat sebelum terjadi pembakaran [2] . Fungsi waktu terhadap aliran udara masuk, injeksi bahan bakar, pengkabutan, pencampuran, dan turbulensi harus dipertimbangkan dengan baik. Oleh karena itu, perlu dilakukan pemodelan aliran fluida pada saluran masuk dan ruang bakar untuk mengamati gerak aliran fluida yang terjadi [3]. 2.

Spesifikasi Mesin Mesin dengan kapasitas volume 65 cc ini didesain dengan teknologi DOHC (Double Over Head Camshaft) dan DTSI (Digital Twin Spark Ignition), serta memiliki rasio kompresi yang tinggi.

Kajian aliran..., Glenn Cahya Dwi Ramadhan, FT UI, 2013

Spesifikasi mesin tersebut diharapkan dapat meningkatkan nilai efisiensi dari mesin. Tabel 1 menunjukkan spesifikasi detail dari mesin. Otto cycle, four stroke, single Engine model and cylinder, spark type ignition engine 36 mm Bore 63.5 mm Stroke 65 cc Volume 127 mm Connecting rod length 14:1 Compression ratio 0.5 mm Squish height 5 cc Clearance volume 1500 5000 rpm Speed range Maximum cylinder 10395049 N/m2 pressure Valve Timing degree 0 Inlet valve opening CA degree 180 Inlet valve closure CA degree 540 Exhaust valve opening CA degree 720 Exhaust valve closure CA Tabel 1. Spesifikasi Mesin

bakar, menyempurnakan campuran bahan bakar dan udara, serta meningkatkan kecepatan dan efisiensi pembakaran. Proses pembakaran ini terkait erat dengan mekanisme aliran yang terjadi, yaitu turbulen, swirl, squish, dan tumble. Mekanisme aliran yang terbentuk ini dipengaruhi oleh kondisi aliran pada saat udara atau campuran udara-bahan bakar memasuki ruang bakar melewati katup hisap. Turbulen Turbulensi merupakan fenomena keacakan medan aliran yang disebabkan karena gaya inersia aliran lebih mendominasi dibanding gaya viskosnya. Kecepatan mesin yang tinggi mengakibatkan aliran yang terjadi baik masuk, di dalam, atau keluar ruang bakar adlah turbulen. Sebagai efek dari turbulen, laju transfer panas di dalam mesin semakin meningkat [3]. Pada aliran yang turbulen, laju transfer dan pencampuran fluida beberapa kali lebih besar daripada laju terhadap difusi molekul [4]. Turbulensi dapat dinyatakan dengan intensitas turbulensi yang didefenisikan sebagai suatu skala yang mengkarakteristikan turbulen dalam persen. Intensitas turbulensi sangat mempengaruhi besaran dari energi kinetik turbulen (k). Hubungan antara energi kinetik turbulen k dan intensitas turbulensi ditunjukkan oleh persamaan 1. k = (uavg I)2

Gambar 1. Mesin Otto Empat Langkah Satu Silinder 65 cc

3.

Aliran Fluida dalam Ruang Bakar Fenomena gerakan aliran udara, bahan bakar, dan gas buang pada siklus empat langkah sangat penting terkait dengan peningkatan kecepatan penguapan bahan

(1)

Pada keadaan aktual, telah diamati bahwa intensitas turbulensi akan turun sebesar 0,15 saat akhir langkah hisap, kemudian penurunan intensitas turbulensi hanya akan turun sebesar 0,1 selama langkah kompresi [5]. Swirl Gerakan aliran swirl adalah gerakan rotasional aliran fluida yang sejajar dengan sumbu silinder. Menciptakan pusaran swirl di dalam silinder adalah cara yang telah diakui dapat meningkatkan turbulensi saat


langkah hisap pada motor pembakaran [6] dalam . Aliran swirl sangat meningkatkan pencampuran udara dan bahan bakar untuk memberikan campuran yang homogen dalam waktu yang singkat. Aliran ini juga menjadi mekanisme utama dalam mempercepat penyebaran api saat proses pembakaran [3]. Swirl ratio adalah parameter tanpa dimensi yang didefinisikan sebagai rasio dari kecepatan sudut dan kecepatan aksial fluida di dalam silinder [6]. Swirl ratio digunakan sebagai parameter perhitungan karena nilai ini menunjukkan besar intensitas swirl pada aliran [7]. Semakin besar nilai swirl ratio, maka semakin baik kualitas aliran swirl tersebut. Swirl ratio dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

VB ∆P ρ Vt ω r

Sr =

(2)

Vt = ωr

(3)

VB = √

(4)

= Velocity head (m/s) = Pressure drop (N/m2) = density (kg/m3) = tangential velocity (m/s) = angular velocity (rad/s) = radius of cylinder (m)

Gerak sudut yang terjadi di dalam silinder sangat non-uniform, nilai maksimumnya tercapai oleh aliran yang jauh dengan dinding, sedangkan nilai minimumnya terjadi pada aliran yang bersentuhan dengan dinding karena adanya hambatan viskos antara dinding dengan fluida. Swirl ratio yang baik berada pada nilai 5 - 10 untuk mesin-mesin modern [3]. In a four stroke engine induction swirl Tumble Tumble adalah gerakan aliran fluida yang tegak lurus dengan sumbu silindernya. Tumble juga dapat dihasilkan dari efek squish. Squish adalah gerakan

yang terjadi ketika piston mendekati titik mati atas. Sesaat sebelum mencapai titik mati atas, volume di sekitar dinding silinder akan semakin mengecil. Fluida yang berada di dinding akan dipaksa bergerak menuju bagian pusat ruang bakar. Gerak tersebut akan berbentuk radial dan volume di dinding piston hampir mendekati nol. Aliran squish tersebut akan menghasilkan gerak tumble sebagai gerakan sekundernya. 4.

Metode Komputasi Membuat model aliran fluida di dalam ruang bakar dilakukan untuk menjelaskan karakteristik aliran dan melihat efek yang terjadi pada kecepatan tangensial fluida terhadap perubahan kecepatan mesin, tekanan, turbulensi, dan swirl ratio [6]. Domain yang disiapkan untuk pemodelan meliputi intake port, intake valve, valve seat, dan elbow port. Dua desain cylinder head akan disimulasikan pada penelitian ini, yaitu desain cylinder head aktual dan desain cylinder head alternatif yang telah disiapkan. Dua desain tersebut akan dikomparasikan mana yang lebih baik dalam memproduksi aliran swirl. Geometri dari cylinder head ditunjukkan oleh gambar 2 dan domain fluida untuk pemodelan ditunjukkan oleh gambar 3.

Gambar 2. Gambar potongan dari cylinder head


Gambar 3. Domain fluida dalam ruang bakar

Perangkat lunak yang digunakan dalam melakukan model komputasi adalah Autodesk Inventor 2012 dan ANSYS Workbench 14 dengan sistem analisis Fluent. Autodesk Inventor digunakan untuk membuat pemodelan CAD geometri yang diperlukan sebagai domain untuk simulasi. ANSYS Workbench digunakan untuk melakukan pemodelan dinamika fluida secara numerik dengan aplikasi yang kompak, seperti Mesh Modeler yang membuat mesh menggunakan metode volume kontrol dan Fluent yang memecahkan persamaan aliran dalam silinder dengan menggunakan model turbulensi yang sesuai. Simulasi yang dilakukan hanya memperlihatkan gerak aliran pada saat langkah hisap. Pada simulasi ini, geometri dari bukaan katup dan silinder dibuat pada posisi kritis selama siklus empat langkah berlangsung, yaitu saat katup terbuka penuh dan piston berada pada titik mati bawah. Posisi tersebut memungkinkan fluida untuk mengalir melewati katup dan ruang silinder. Gerakan fluida tersebut dapat dianalisis, seperti fenomena swirl yang terjadi, tingkat turbulensi, dan laju alirannya. Tahap selanjutnya adalah proses mesh pada domain fluida yang telah digambar. Jenis grid yang digunakan pada simulasi ruang bakar ini adalah jenis tetrahedral unstructured. Pertimbangan jenis grid ini adalah karena domain fluida cukup kompleks dan terdapat beberapa titik kritis seperti pada katup masuk sehingga perlu dilakukan perubahan ukuran agar grid pada daerah tersebut lebih rapat sehingga meningkatkan akurasi saat proses simulasi.

unstructured mampu Tetrahedral mempersingkat waktu pembuatan model. Langkah selanjutnya adalah mendefinisikan ukuran mesh. Ukuran mesh ditentukan berdasarkan uji ketergantungan mesh. Pada simulasi ini, mesh dibuat dengan kualitas kasar, karena hasil dari mesh kualitas kasar dengan mesh kualitas medium tidak ada perubahan, sehingga mesh kasar dapat digunakan guna mempersingkat waktu iterasi.

Gambar 4.Topologi mesh ruang bakar (tampak isometri)

Gambar 5. Topologi mesh ruang bakar (gambar potongan dari mesh)

Tahap selanjutnya adalah melakukan pendefinisian model menggunakan metode CFD dengan bantuan aplikasi Fluent. Model viskos yang digunakan pada simulasi ini adalah k-epsilon RNG (ReNormalisation Group). Model viskos ini digunakan karena memiliki persamaan laju disipasi (epsilon) yang dapat meningkatkan akurasi untuk aliran yang terhalang tiba-tiba [8]. Selain itu, efek putaran pada turbulensi yang terdapat pada


model k-epsilon RNG dapat meningkatkan akurasi untuk aliran yang berputar (swirl). Untuk menentukan model viskos, perlu dilakukan perhitungan untuk mencari bilangan Reynolds sebagai parameter aliran yang masuk turbulen atau tidak menggunakan persamaan sebagai berikut: Re = (5) D = Diameter pipa ρ = massa jenis fluida (kg/m3) U = kecepatan rata-rata dari fluida yang mengalir (m/s) µ = viskositas dinamik fluida (kg/m.s) Pada model solver, transport spesies digunakan karena ada proses pencampuran material pada simulasi ini. Jumlah material yang bercampur adalah 2, yaitu air dan noctane-vapor. Kondisi batas yang ditentukan secara default pada Fluent adalah velocity inlet, sedangkan pada kondisi aktual mesin menggunakan karburator sebagai sistem injeksi bahan bakar, sehingga tipe kondisi batas harus diubah menjadi pressure inlet dengan besar tekanan 1 atm atau 101325 N/m2. Pressure outlet digunakan untuk mendefinisikan sisi outlet. Berdasarkan perhitungan p-V diagram, diperoleh nilai tekanan saat langkah hisap sebesar 0,9 atm atau sebesar 91192,5 N/m2. Untuk kondisi batas pada dinding, simulasi dianggap pada keadaan isothermal sehingga nilai dari temperatur dianggap konstan pada suhu ruangan. Maka pada saat mendefinisikan kondisi batas, nilai temperatur berada pada 300 K. Tahap selanjutnya adalah proses iterasi. Pada proses ini, pemantauan secara terus menerus harus dilakukan sehingga apabila terjadi ketidakstabilan dalam proses iterasi atau proses iterasi memiliki kecenderungan untuk divergen, maka proses iterasi dapat diberhentikan dan diberi nilai inputan baru agar tidak divergen. Setelah proses ini selesai, proses

berikutnya adalah tahap post-processing, yaitu menampilkan hasil simulasi. Pada simulasi ini, analisis dilakukan pada 2 desain cylinder head yang berbeda. Desain tersebut adalah desain aktual dan desain alternatif yang memang sengaja dibuat sebagai alternatif desain ruang bakar untuk menghasilkan nilai swirl ratio yang lebih optimum. Desain alternatif tersebut berbeda dari segi bentuk saluran masuk bahan bakarnya, sedangkan bentuk ruang bakar dan posisi katup tetap pada posisi yang sebenarnya. Untuk lebih jelasnya akan dijelaskan pada bab selanjutnya. Hasil dan Pembahasan Simulasi dilakukan pada masingmasing desain dengan variabel jarak bukaan katup yang bervariasi, mulai dari 4 mm, 3,5 mm, dan 3 mm. Hal ini bertujuan agar proses modifikasi cylinder head dapat dimulai dari hal yang paling sederhana, yaitu memodifikasi jarak buka katup. Jika hasil yang diperoleh masih kurang optimal, maka desain alternatif dapat digunakan untuk menghasilkan swirl ratio yang lebih optimum. Pada mesin 65 cc yang sedang dikembangkan ini, jarak buka katup masuk dan katup keluar aktual adalah 4 mm. Gambar 6 menunjukkan domain dari 2 buah desain cylinder head yang berbeda. 5.

(a)


berjarak 63,5 mm dari titik mati atas. Bidang ini berfungsi untuk memonitor fenomena yang terjadi pada gerak aliran dan mampu memberikan visualisasi yang bagus terhadap evolusi atau perubahan bentuk dari aliran pada setiap jarak yang berbeda dari titik mati atas. 5.1. Analisis Desain Aktual pada Jarak Buka Katup 4 mm (b) Gambar 6. Tampak atas desain aktual dan alternatif: (a) desain aktual, (b) desain alternatif

108 CA Untuk dapat melakukan analisis terhadap gerak aliran fluida pada ruang bakar, bidang-bidang 2 dimensi dibuat sebagai daerah untuk memantau aliran pada bidang 1, 2, 3, 4, dan 5. Bidangbidang tersebut memiliki jarak terhadap titik mati atas. Penampang dari bidangbidang tersebut ditunjukkan oleh gambar 7.

12,7 mm dari TMA

25,4 mm dari TMA

144 CA 180 CA

38,1 mm dari TMA

50,8 mm dari TMA

1 2 3 4 5

63,5 mm dari TMA

Gambar 7. Bidang 2D sebagai monitoring plane gerak aliran

Bidang-bidang monitor tersebut merajuk pada 1 titik referensi, yaitu titik mati atas piston. Setiap bidang yang satu dengan yang lainnya memiliki rentang jarak 12,7 mm. Bidang 1 berjarak 12,7 mm dari titik mati atas, bidang 2 berjarak 25,4 mm dari titik mati atas, bidang 3 berjarak 38,1 dari titik mati atas, bidang 4 berjarak 50,8 mm dari titik mati atas, dan bidang 5

Gambar 8. Medan aliran pada jarak buka katup 4 mm desain aktual

Gambar 8 menunjukkan medan aliran pada 5 bidang monitor yang dilihat


dari tampak atas atau Y axis. Pada jarak 12,7 mm, medan alirannya masih terlihat sangat acak. Hal tersebut disebabkan oleh adanya kecepatan aliran yang tinggi pada bidang tersebut. Kecepatan yang tinggi tersebut disebabkan oleh adanya aliran jet pada katup masuk [10]. Fluida diekspansi ke dalam silinder dan memantul ke dinding silinder sehingga membuat momentum sudut yang besar. Selama fluida mengalir melalui katup inlet, momentum fluida di bawah katup exhaust sangat rendah. Fluida dengan momentum sudut yang besar pada dinding silinder yang lain akan bergerak menuju fluida dengan momentum yang kecil, dan aliran tersebut akan menjadi uniform ketika adanya pusaran swirl [11]. 5.2. Analisis Desain Aktual pada Jarak Buka Katup 3,5 mm

12,7 mm dari TMA 25,4 mm dari TMA 12,7 mm dari TMA

25,4 mm dari TMA

Pada gambar 9, saat jarak 12,7 mm kombinasi aliran swirl dan turbulensi yang acak terjadi. Hal tersebut dikarenakan adanya aliran jet pada katup masuk sehingga menyebabkan terjadinya aliran yang acak dan bertabrakan dengan dinding sehingga aliran terpecah. Kecepatan ratarata pada bidang ini merupakan yang tertinggi diantara bidang lainnya, yaitu sebesar 33,8618 m/s. Kombinasi berbagai jenis aliran ini membuat proses pencampuran bahan bakar menjadi lebih cepat. Pada jarak 25,4 mm, kecepatan aliran pada bidang ini masih relatif cepat yaitu sekitar 32,4684 m/s. Kecepatan aliran yang tinggi dan adanya viskositas pada fluida membuat aliran ini saling menarik sehingga membentuk pusaran. Pusaran-pusaran tersebut pada awalnya terjadi karena adanya momentum sudut saat aliran menabrak dinding. Pada jarak 50,8 mm tampak terlihat medan aliran dengan kecepatan yang tinggi di bagian permukaan antara pertemuan 2 pusaran swirl. Kecepatan tersebut diakibatkan adanya aliran yang mengalir sepanjang sumbu Y- atau aliran turun mendekati sisi outlet, sehingga pusaran terus terjadi hingga jarak 63,5 mm.


50,8 mm dari TMA

63,5 mm dari TMA

Gambar 9. Medan aliran pada jarak buka katup 3,5 mm desain aktual


5.3. Analisis Desain Aktual pada Jarak Buka Katup 3 mm

searah sumbu Y- dan Y+, sehingga pusaran jadi terganggu.

36 CA

5.4. Analisis Desain Alternatif pada Jarak Buka Katup 4 mm

12,7 mm dari TMA 72 CA 25,4 mm dari TMA

108 CA 12,7 mm dari TMA 25,4 mm dari TMA 38,1 mm dari TMA

50,8 mm dari TMA

63,5 mm dari TMA

12,7 mm dari TMA

38,1 mm dari TMA

25,4 mm dari TMA

50,8 mm dari TMA

63,5 mm dari TMA

Gambar 10. Medan aliran pada jarak buka katup 3 mm desain aktual

Gambar 10 menunjukkan vektor kecepatan pada 5 bidang monitor yang dilihat dari tampak atas atau Y axis. Seperti pada penjelasan sebelumnya, aliran yang terjadi pada jarak 12,7 mm masih sangat acak karena adanya kecepatan yang tinggi tersebut disebabkan oleh adanya aliran jet pada katup masuk. Kecepatan pada bidang ini adalah 33,8618 m/s. Pada jarak 25,4 mm dan 38,1 mm, aliran mulai membentuk 2 pusaran namun pusaran tersebut semakin memudar seiring dengan terjadinya penurunan kecepatan tangensial. Perubahan posisi pusaran juga sangat dipengaruhi oleh arah aliran yang bergerak

Gambar 11. Medan aliran pada jarak buka katup 4 mm desain alternatif

Berbeda dengan desain aktual, saluran inlet pada desain alternatif dibuat pada sudut tertentu sehingga saat aliran keluar dari katup, terjadi momentum yang baik antara kecepatan tangensial aliran dengan dinding silinder. Pada jarak 12,7 mm, fluida yang masuk tidak terlalu acak karena sudut inlet pada katup masuk berada pada posisi medium swirl. Posisi tersebut berdampak pada aliran swirl akan terjadi seperti yang dapat terlihat pada bidang-bidang yang lain. Aliran yang


homogen tercipta sehingga turbulensi yang terjadi lebih efektif dan memiliki efisiensi energi yang tinggi [9]. Intensitas turbulensi pada jarak 38,1 mm mencapai nilai yang optimal, yaitu sekitar 3%. Gambar streamline dari aliran ditunjukkan pada gambar 11. Pada gambar tersebut terlihat bentuk pusaran aliran yang homogen. 5.5. Analisis Desain Alternatif pada Jarak Buka Katup 3,5 mm

beberapa pusaran sekunder. Namun, karena bentuk saluran inlet yang sudah dimodifikasi, aliran swirl akan terjadi seperti yang dapat terlihat pada jarak 25,4 mm. Pada jarak 28,1 mm terlihat bahwa pusaran swirl semakin homogen dan membuat satu pusaran. Aliran ini membuat nilai intensitas turbulensi menurun. Adanya ruang kosong di bagian tengah dapat disebabkan oleh gaya tangensial dan pusaran primer yang mengakibatkan fluida menyebar ke dinding. Analisis Desain Alternatif pada 5.6. Jarak Buka Katup 3 mm 5.7. 12,7 mm dari TMA

12,7 mm dari TMA

25,4 mm dari TMA

12,7 mm dari TMA

25,4 mm dari TMA

25,4 mm dari TMA 38,1 mm dari TMA

50,8 mm dari TMA


50,8 mm dari TMA

63,5 mm dari TMA

63,5 mm dari TMA

Gambar 12. Medan aliran pada jarak buka katup 3,5 mm desain alternatif Gambar 13. Medan aliran pada jarak buka katup 3 mm desain alternatif

Pada jarak 12,7 mm, fluida yang masuk cukup acak dan terdiri dari kombinasi antara aliran primer dan

Pola aliran yang terbentuk pada jarak 12,7 mm cukup mirip dengan pola aliran


Grafik Swirl Ratio terhadap Bidang Monitor pada Desain Aktual 0,9 0,83 0,83 0,800,79 0,76 0,72

0,8 0,7

Swirl Ratio

yang terjadi pada bukaan katup 3,5 mm. Pada jarak 38,1 mm terlihat bahwa pusaran swirl primer terjadi dan kecepatan aliran relatif rendah yaitu 19,64 m/s sehingga nilai swirl ratio pada bidang ini relatif kecil. Pada jarak 63,5 mm, aliran di bagian tengah silinder menjadi kosong karena adanya gaya tangensial dan pusaran primer yang mengakibatkan fluida menyebar ke dinding.

lift 3.5mm

0,6

5.8. Analisis Grafik Perbandingan Swirl ratio pada Desain Aktual di Setiap Bidang Monitor Gambar 14 merupakan grafik yang menunjukkan besaran nilai swirl ratio dari hasil simulasi. Berdasarkan bentuk grafik, terlihat bahwa swirl ratio semakin menurun seiring dengan bertambahnya jarak yang ditempuh oleh aliran. Nilai minimum berada pada katup dengan jarak buka 3 mm pada bidang monitor terjauh, yaitu sebesar 0,37 dan nilai maksimum dari swirl ratio berada pada katup dengan jarak buka 4 mm dan 3 mm pada bidang monitor terdekat dari titik mati atas yaitu sebesar 0,83. Nilai dari swirl ratio sangat dipengaruhi oleh 2 parameter penting, yaitu kecepatan aksial dan kecepatan angular dari aliran fluida. Kecepatan aksial sangat tergantung pada besar beda tekanan antara bidang monitor dengan titik mati atas piston. Semakin besar beda tekanannya, maka semakin tinggi kecepatan aksialnya. Kecepatan aksial yang tinggi mengakibatkan semakin menurunnya nilai swirl ratio seperti yang ditunjukkan oleh grafik.

lift 3 mm

0,57 0,55 0,50 0,48 0,47

0,5 0,4

lift 4 mm

0,37 0,380,38

0,3 0

50

100

Jarak Terhadap Titik Mati Atas (mm)

Gambar 14. Grafik perbandingan swirl ratio desain aktual pada setiap jarak buka katup

5.9. Analisis Grafik Perbandingan Swirl ratio pada Desain Alternatif di Setiap Bidang Monitor Grafik di bawah ini menunjukkan nilai perbandingan antara swirl ratio terhadap bidang monitor. Pada grafik terlihat bahwa nilai swirl ratio berbanding terbalik dengan langkah stroke dari piston. Semakin jauh jarak yang ditempuh, swirl ratio semakin. Nilai minimum berada pada katup dengan jarak buka 3 mm pada bidang monitor terjauh dari titik mati atas yaitu sebesar 0,57 dan nilai maksimum dari swirl ratio berada pada katup dengan jarak buka 3 mm pula namun pada bidang monitor terdekat dari titik mati atas, yaitu sebesar 1,07. Jika ditinjau lebih seksama, pada jarak buka katup 4 mm terdapat kenaikan nilai swirl ratio di bidang monitor berjarak 50,8 mm dari titik mati atas. Hal ini disebabkan karena tekanan rata-rata di bidang tersebut lebih tinggi dari bidang monitor pada jarak 38,1 mm. Namun pada umunya, grafik menunjukkan penurunan nilai swirl ratio


seiring dengan bertambahnya jarak yang ditempuh oleh aliran.

1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3

0,16 0,16

0,16 0,14

lift 3 mm

0,12

1,24

0,1

1,07 0,97 0,90 0,89

Swirl Ratio

0,18 Turbulence Intensity

Perbandingan Swirl Ratio Tiap Bidang pada Desain Alternatif

Perbandingan Intensitas Turbulensi terhadap Bidang monitor pada Desain Aktual

lift 3.5mm 0,08 0,08

0,08

lift 3 mm 0,83

lift 3.5mm

0,710,700,69 0,66 0,66 0,62 0,560,57

lift 4 mm

0

50 100 Jarak Bidang Terhadap Titik Mati Atas (mm) Gambar 15. Grafik perbandingan swirl ratio desain alternatif pada setiap jarak buka katup

5.10. Analisis Grafik Intensitas Turbulensi pada Desain Aktual di Setiap Bidang Monitor Intensitas turbulensi dipengaruhi oleh kecepatan dan energi kinetik turbulen pada aliran. Dengan menggunakan persamaan 2.3, nilai intensitas turbulensi dapat ditentukan. Nilai intensitas turbulensi ditunjukkan oleh grafik 16. Dari grafik telihat bahwa semakin jauh jarak yang ditempuh oleh aliran, semakin kecil nilai intensitas turbulensinya. Aliran yang terjadi di dalam ruang bakar silinder hampir selalu terjadi olakan. Desainer mesin sangat mengharapkan olakan yang terjadi di dalam ruang bakar agar semakin cepat dan semakin baik tingkat pencampuran udara dan bahan bakar. Semakin tinggi intensitas turbulensinya, maka semakin cepat pembakaran yang terjadi. Namun di sisi lain tingkat turbulensi yang lebih tinggi mengakibatkan meningkatnya laju perpindahan panas ke dinding silinder, sehingga mengurangi efisiensi termalnya. Grafik menunjukkan penurunan intensitas turbulensi sebesar 0,14.

0,06

lift 4 mm

0,05 0,05 0,03 0,02

0,04 0,02 0 0

50

100

Jarak Terhadap Titik Mati Atas (mm) Gambar 16. Grafik perbandingan intensitas turbulensi desain aktual pada setiap jarak buka katup

Grafik Intensitas 5.11. Analisis Turbulensi pada Desain Alternatif di Setiap Bidang Monitor Seperti dijelaskan sebelumnya, nilai intensitas turbulensi dipengaruhi oleh kecepatan dan energi kinetik turbulen pada aliran. Nilai maksimum dari intensitas turbulen dicapai oleh jarak buka katup 3 mm dengan nilai intensitas turbulensi sebesar 0,15. Jika melihat grafik swirl ratio pada desain alternatif, nilai swirl ratio tertinggi dicapai oleh katup dengan jarak buka 3,5 mm. Namun intensitas turbulensi pada jarak buka katup 3,5 mm lebih rendah dari jarak buka katup 3 mm. Selama langkah hisap, turbulensi dihasilkan oleh adanya energi kinetik dari momentum dan transport. Penurunan tingkat turbulensi aliran selama langkah hisap diakibatkan oleh adanya disipasi energi kinetik turbulen, sehingga intensitas turbulensinya menurun. Grafik menunjukkan adanya penurunan nilai intensitas turbulensi sebesar 0,13.


2. Perlu dilakukan modifikasi pada cylinder head aktual guna mendapatkan swirl ratio yang lebih 0,16 0,15 baik. 0,14 0,13 Swirl ratio berbanding terbalik 3. 0,12 lift 3 mm dengan jarak tempuh aliran dari 0,1 titik mati atas piston. Semakin jauh lift 3.5mm 0,08 jarak yang ditempuh, semakin kecil 0,07 lift 4 mm 0,06 0,06 0,06 swirl ratio. 0,04 0,04 0,030,03 4. Intensitas turbulensi berbanding 0,02 0,020,02 0,02 terbalik dengan jarak tempuh. 0 5. Penurunan intensitas turbulensi 0 50 100 pada desain aktual adalah 0,14 dan Jarak Terhadap Titik Mati Atas (mm) penurunan intensitas turbulensi desain alternatif adalah 0,13. Nilai Gambar 17. Grafik perbandingan intensitas tersebut mendekati nilai penurunan turbulensi desain alternatif pada setiap jarak buka dari literatur yaitu 0,15 [12]. katup 6. Desain alternatif menunjukkan 6. Kesimpulan swirl ratio yang paling baik pada jarak buka katup 3,5 mm dengan 1. Nilai swirl ratio pada desain nilai maksimum swirl ratio 1,24 cylinder head aktual dengan jarak dan intensitas turbulensinya 13 %. buka katup 4 mm masih relatif kecil jika dibandingkan dengan literatur (nilai swirl ratio optimum 5-10 [9]. Turbulence Intensity

Perbandingan Intensitas Turbulensi terhadap Bidang monitor pada Desain Alternatif


References [1]

Jeong-Eue Yun (2000). A Study on Combine Effects Between Swirl and Tumble Flow of Intake Port System in Cylinder Head.

[2] Martins, Jogre dkk (2009). Design of An Inlet Track of Small I. C. Engine for Swirl Encancement. Jurnal. Universidade do Minho Portugal.

of Engineering and Sciences, ISSN 1819-6608.

[11] Kern Y. Kang and Rolf D. Reitz. 1999. The effect of intake valve alignment on swirl generation in a DI diesel engine. Journal of Experimental Thermal and Fluid Science. 20: 94-103.

[3] Pulkrabek, Willard W. “Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine.” New Jersey: Prentice Hall. 2004 [4] Kadir, Mohd Taufik (2008). Intake Port Flow Study on Various Cylinder Head Using Flowbench. [5]

Lumley, John L. Engines-an Introduction. Cambridge University Press. 1999

[6]

Kumar, Vinodh dkk. Air Flow and Charge Motion Study of Engine Intake Port. Jurnal. Larsen and Tourbo Limited, IES.

[7] G. Sridhar, P. J. Paul, & H. S. Mukunda (2003). Simulation of Fluid Flow in A High Compression Ratio Reciprocating Internal Combustion Engine. [8] Tuakia, Firman. Dasar-Dasar CFD menggunakan FLUENT. Bandung: Informatika. 2008. [9]

Applied

O.Samimi Abianeh (2007). Investigation of Swirling and Tumbling Flow Pattern of Spark Ignition Engine.

[10] Kumar, C.R., Nagarajan, G. Investigation of Flow During Intake Stroke of A Single Cylinder Internal Combustion Engine. ARPN Journal


KAJIAN ALIRAN FLUIDA PADA MESIN OTTO EMPAT LANGKAH SATU SILINDER BERKAPASITAS 65 cc

Recommend Documents