Pemodelan Aliran Fluida dan Pembakaran dalam Ruang Bakar Mesin Diesel Berbahan Bakar Gas Injeksi Langsung Dengan Program Bantu Fire V70b P13 Budi Utomo Kukuh Widodo, Triyogi Yuwono, Yeliana Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS Surabaya Abstrak Untuk dapat mengoperasikan mesin diesel berbahan bakar gas-injeksi langsung, modifikasi diperlukan, yaitu dengan menambahkan 'spark plug' untuk membahtu penyalaan. Maka turbulensi dalam ruang bakar harus ditingkatkan, untuk mengatasi lemahnya penetrasi bahan bakar gas. Untuk meningkatkan turbulensi di dalam ruang bakar tanpa meng-ubah orientasi saluran hisap, kepala piston diberi cekungan. Dalam makalah ini aliran fluida tiga dimensi dan proses pembakaran pada ruang bakar dengan tiga tipe cekungan, yaitu Toroidal ', 're-entrant, dan tipe 'shallowdish' dimodelkan dengan menggunakan 'FIRE v 70b_plY. Hasil investigasi menunjukkan bahwa pada ruang bakar dengan cekungan tipe 're-entrant' dihasilkan kecepatan 'squish'yang paling tinggi, peningkatkan turbulensi muatan, sehingga meningkatkan proses pencampuran bahan bakar, 'reaction progress variable' dan jumlah panas yang dilepas ke seluruh ruang bakar. Jumlah panas yang dilepasjuga dipengaruhi oleh turbulensi muatan dekat 'sparkplug'. Kata kunci : injeksi langsung, 'sparkplug, bentuk cekungan kepala piston, turbulensi
Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah: • Untuk memberikan sumbangan pemikiran berupa penambahan cekungan pada kepala piston kendaraan motor berbahan bakar gas dengan tujuan meningkatkan turbulensi dalam ruang bakar. • Mengatasai penurunan daya yang selama ini terjadi pada motor bensin berbahan bakar gas alam. • Untuk mengetahui pengaruh bentuk cekungan terhadap kekuatan campuran udara dan bahan bakar di dalam ruang bakar. • Untuk mengetahui pengaruh letak spark plug di dalam ruang bakar terhadap laju perambatan nyala dalam ruang bakar.
Latar Belakang Masalah Bahan bakar gas (BBG) merupakan bahan bakar alternatif yang dikembangkan untuk menggantikan fungsi bahan bakar cair, terutama di bidang transportasi. Kelayakan BBG sebagai bahan bakar alternatif untuk kendaraan bermotor, karena BBG tergolong bahan bakar ramah lingkungan, aman dan ekonomis. Untuk mendapatkan effisiensi termal yang lebih baik, BBG dioperasikan pada Mesin Diesel (Mesin Penyalaan Kompresi). Hal ini disebabkan karena daya dapat dikontrol tanpa kerugian throttling. Namun, BBG mempunyai temperatur autoignition yang sangat tinggi (650 OC), sehingga untuk penyalaan kompresi menjadi sangat sulit. Hal ini diatasi dengan menggunakan spark plug untuk membantu penyalaan. Untuk mengatasi penetrasi semprotan 1313G yang lebih lemah dibandingkan dengan semprotan bahan bakar cair, turbulensi dalam ruang bakar harus ditingkatkan sehingga percampuran udara dan bahan bakar menjadi lebih cepat dan lebih baik.
Pemodelan Ruang Bakar Ada tiga bentuk cekungan kepala piston yang diteliti antara lain adalah 1. Tipe shallow-dish 2. Tipe re-entrant 3. Tipe toroidal
1
2
Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001
Gambar 1. Penampang melintang dari cekungan kepala piston Gambar 2 berikut ini menunjukkan model volume grid dari silinder mesin lengkap dengan saluran hisap, sedangkan pada gambar 3 ditunjukkan geometri sifinder tanpa saluran hisap.
Gambar 2. Geometri silinder lengkap dengan saluran hisap
Gambar 3. Geometri silinder
Utomo Kukuh Widodo, Pemodelan Aliran Fluida
Hasil Analisis dan Diskusi Efek dari Gerakan Muatan dan Turbulensi Jumlah campuran bahan bakar udara yang terbakar segera setelah dilakukan penyalaan ditentukan oleh beberapa faktor antara lain, sifat bahan bakar, pola aliran di dalam ruang bakar, temperatur dan tekanan gas di dalam ruang bakar. Laju pembakaran cepat ini dikontrol oleh proses pencampuran bahan bakar dan udara. Karakteristik aliran ditentukan oleh konfigurasi saluran hisap dan katup, dan bentuk dari ruang bakar. Sebagian besar pengaruh dari proses hisap adalah menentukan gerakan skala besar di dalam ruang bakar pada saat katup hisap tertutup. Seiring dengan gerakan kompresi piston, gas didorong masuk ke dalam cekungan piston. Kecepatan radial ke dalam dari aliran yang disebabkan oleh gerakan piston disebut sebagai kecepatan squish. Jadi untuk meningkatkan turbulensi dalam ruang bakar tanpa mengubah orientasi saluran hisap dan mengatasi lemahnya penetrasi bahan bakar gas dibandingkan dengan penetrasi bahan bakar cair, dapat dilakukan dengan mengubah cekungan kepala piston. Cekungan kepala piston idealnya diletakkan ditengah, namun konsentrik terhadap nozzle injektor. Umumnya eksentrisitas injektor dan cekungan piston terhadap sumbu silinder yang dapat diterima adalah sampai 10%, tanpa menghalangi pusaran atau memberi kerugian pada unjuk kerja secara menyeluruh. Gambar 4 dan gambar 5, masing-masing menunjukkan distribusi energi kinetik turbulen dan pola kecepatan aliran fluida di dalam ruang bakar sesaat sebelum penyalaan. Dari gambar terlihat bahwa energi kinetik turbulen dari aliran fluida didalam ruang bakar meningkat pada bagian tengah ruang bakar, hal ini menunjukkan tingkat turbulensi aliran fluida pada bagian tengah ruang bakar lebih tinggi. Tampak tipe re-entrant memberikan energi kinetik turbulen terbesar di dalam ruang bakar. DI samping itu, hanya tipe cekungan re-entrant yang memperlihatkan adanya squish atau olakan/adukan di dalam ruang bakar, sehingga turbulensi campuran bahan bakar dan udara dalam ruang bakar meningkat.
3
Selama langkah kompresi, turbulensi aliran fluida di dalam ruang bakar tipe re-entrant meningkat sehingga mempercepat proses pencampuran bahan bakar dan udara. Dan selama, langkah kerja, dengan meningkatnya turbulensi di dalam ruang bakar menyebabkan kecepatan nyala juga meningkat sehingga proses pembakaran campuran bahan bakar-udara lebih cepat. Pada langkah ekspansi, tepi cekungan re-entrant membuat aliran fluida tetap berada pada ruang bakar utama, selungga praktis tepi cekungan mengurangi kerugian panas yang dibuang ke dinding silinder. Pada langkah pembuangan, akan membantu proses mengeluarkan hasil pembakaran. Efek dari Posisi Spark Plug Jumlah molekul campuran bahan bakar udara yang terdapat disekitar spark plug sangat menentukan apakah penyalaan dapat berlangsung dengan sebaik-baiknya. Banyaknya jumlah molekul campuran sangat tergantung pada rasio bahan bakar udara, dan tingkat turbulensi dalam ruang bakar. Jadi untuk mendapatkan proses penyalaan yang lebih baik, spark plug diletakkan dimana selalu terdapat sejumlah campuran bahan bakar-udara yang siap terbakar. Pada penelitian ini, spark plug diletakkan pada 3 tempat yang berbeda. Pertama, spark plug diletakkan ditengah ruang bakar di sekitar dinding silinder yaitu Pada koordinat (0,0,0.004). Dan yang kedua, spark plug diletakan pada koordinat (0,0,0.002). Dan terakhir spark plug diletakkan pada koordinat (0,0,0.000). Gambar 6 memperlihatkan reaction progress variable di dalam ruang bakar tipe cekungan re-entrant pada 355 derajat sudut engkol dengan 3 posisi koordinat spark plug yang berbeda. Dengan meletakkan koordinat spark plug lebih dalam masuk ke ruang bakar, daerah yang sudah terbakar lebih luas, maka dapat disimpulkan bahwa reaction progress variable meningkat, sehingga jumlah campuran bahan bakar dan udara yang terbakar juga meningkat. Tingginya laju reaksi akan meningkatkan laju panas yang dilepas dari proses pembakaran sehingga jumlah total panas yang dilepas juga meningkat.
4
Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001
Gambar 4. Energi kinetik turbulen aliran fluida pada 345 derajat sudut engkol.
Utomo Kukuh Widodo, Pemodelan Aliran Fluida
Gambar 5. Pola kecepatan aliran fluida pada 345 derajat sudut engkol
5
6
Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001
Gambar 6. Reaction progres variable, putaran 1500 rpm dan penyalaan spark pada 342,5 derajat sudut engkol
Utomo Kukuh Widodo, Pemodelan Aliran Fluida
Gambar 7. Fraksi massa NOx Yang terbentuk dari hasil pembakaran putaran 1500 rpm dan penyalaan spark pada 342.5 derajat sudut engkol
7
8
Jurnal Teknik Mesin, Volume 1, Nomor 1, Mei 2001
Gambar 7 memperlihatkan fraksi massa NOx yang terbentuk di dalam ruang bakar tipe cekungan re-entrant pada 360 derajat sudut engkol dengan meletakkan spark plug pada 3 koordinat yang berbeda. Fraksi massa NOx yang terbentuk terpusat di dalam cekungan kepala piston.Hal ini menunjukkan temperatur ruang bakar tertinggi terpusat di dalam cekungan kepala piston. Dengan meletakkan spark plug pada koordinat (0,0,0.002), fraksi massa NOx mengalami sedikit peningkatan, sedangkan dengan meletakkan spark plug pada koordinat (0,0,0.000), fraksi massa NOx yang terbentuk dari hasil pembakaran lebih rendah dibandingkan dengan meletakkan spark plug pada permukaan kepala silinder pada koordinat (0,0,0.004). Jadi dengan meletakkan koordinat spark plug lebih dalam masuk ke dalam ruang bakar, tekanan dan temperatur ruang bakar setelah penyalaan menjadi lebih tinggi, laju pembakaran bahan bakar meningkat, sehingga jumlah total panas yang dilepaskan juga meningkat. Sedangkan emisi gas buang yang dihasilkan dari hasil pembakaran mengalami penurunan terhadap posisi koordinat spark plug yang diletakkan lebih dalam masuk ke ruang bakar. Pada kenyataannya, aplikasi posisi spark plug di tengah ruang bakar diperoleh dengan mempergunakan spark plug yang lebih panjang (spark plug panas). Lebih tingginya panas yang dilepas yang dihasilkan dari penggunaan spark plug yang lebilh panjang disebabkan oleh lebih tingginya tingkat turbulensi di tengah (center) ruang bakar. Kesimpulan Agar proses pembakaran berlangsung lebih baik, diperlukan swirl yang rendah tapi turbulensi yang kuat disekitar spark plug. Dari ketiga bentuk cekungan kepala piston yang dipelajari, tipe toroidal memberikan efek swirl yang lebih kuat, tipe shallow memberikan swirl paling rendah, dan tipe re-entrant dengan swirl medium memberikan olakan terkuat. Jadi cekungan tipe re-entrant memberikan tingkat turbulensi di dalam ruang bakar paling tinggi. Jumlah panas yang dilepaskan dari hasil pembakaran dipengaruhi oleh tingkat turbulensi campuran bahan bakar udara disekitar spark
plug. Dengan meletakkan spark plug lebih dalam masuk ke ruang bakar pada koordinat (0,0,0.000), laju reaksi pembakaran meningkat sehingga laju panas yang dilepas juga meningkat. Selanjutnya tekanan dan temperatur ruang bakar meningkat sehingga jumlah panas yang dilepaskan meningkat. Dan fraksi massa NOx yang terbentuk di dalam ruang bakar menurun. Jika kecepatan yang melalui spark plug sangat tinggi, maka inti nyala dilepaskan dari spark plug akan bergerak mengikuti gerakan muatan sebelum mengembang menjadi front nyala. Dalam kasus ini, titik efektif dari spark plug tidak lagi terletak pada lokasi spark plug. Pada kondisi ini, spark plug berperan sebagai pemegang nyala (flame holder) dan nyala berotasi pada silinder sehingga menghasilkan bentuk apostrof (‘) dengan ujung yang menyempit pada spark plug.
Referensi [1] Aesoy, Vilmar, Harald Valland, 1996, "Hot Surface Assisted Compression Ignition of Natural Gas in a Direct Injection Diesel Engine", SAE, no. 960767. pp. 17-25. [2] Babu, M.K. Gajendra, R. Sabharwal, P. Sarcar, J.P. Subrahmanyam, 1991, "Studies on the Effect of Turbulence on the Performance Characteristics of a Spark Ignition Engine", International Journal of Vehicle Design, vol.12, no.3, pp.336-344. [3] Dhinagar, S.J., BX Nagalingam, K.V. Gopalakrishnan, 1995, "Spark - assisted Alcohol Operation in a Low Heat Rejection Engine, SAE, no.9500591 pp. 55-65. [4] Goto, Yuichi., Kazuyuki Narusawa, 1996, "Combustion Stabilization of a Spark. Ignition Natural Gas Engine", JSM Revie,w, vol. 17. pp. 251-258. [5] Hamamoto, Yoshisuke., Eiji Tomita Yutake Tanaka, Tetsuya Katayama, Yasuki Tamura, 1987, "The Effect of Swirl on Spark Ignition Engine Combustion", JSME International Journal. Vol. 30, no. 270, pp. 1995-2002.
Utomo Kukuh Widodo, Pemodelan Aliran Fluida
[6] Heislcr, Heinz, 1995, “Advanced Technoiggy”, 1st edition, Edward Arnold, London. [7] Heywood, John B., 1988, “Internal Combustion Engine Fundamentals”, International edition, McGraw-Hill, Singapore. [8] Ikegami, Makoto., Mashiro Shioji, Qi Ming Au, Yoshihiro Hotta, HaJune Endo, 1993, "A Study of Direct-Injection High Compression Engines Fueled by CNG”, JSM Review, Vol. 14, no.2, pp. 87-90.
9
[9] Miura, Akinori., 1995, "Feasibility Study of Diesel Combustion Improvement through High-Pressure Fuel Injection", JSM Review, Vol. 13, no.2, pp. 88-90. [10] Seppen, Jan Jeen, f 1982, "A Study of Flow Phenomena in internal (Piston) Combustion Engines", Laboratory for Internal Combustion Engines and Gas Turbines, Delft. [11] Weaver, Christoper S., Sean H. Turner, 1994, "Dual Fuel Natural Gas Diesel Engine: Technology, Performance, and Emission", SAE, no. 940L48, pp. 77-92.
