Pemodelan dan Simulasi Mobil Sapu Angin 7 di Sirkuit Sepang Guna Memperoleh Metode Berkendara Dengan Bahan Bakar Minimal Diva Aulia Pratama dan Witantyo Teknik Mesin, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected] Abstrak---Pada lomba hemat bahan bakar seperti Shell EcoMarathon dan Indonesia Eco Marathon Competition strategi berkendara sangat mempengaruhi konsumsi bahan bakar. Strategi berkendara juga harus disesuaikan dengan karakteristik kendaraan dan karakteristik lintasan. Guna mendapatkan strategi berkendara yang baik dan hemat bahan bakar, perlu dibangun sebuah model yang bisa digunakan untuk mensimulasikan lomba. Dalam penelitian ini sebuah model sapu angin 7 (SA7) dikembangkan untuk merepresentasikan bagaimana mode berkendara yang hemat bahan bakar di sirkuit sepang. Mode yang dimaksud adalah batas kecepatan saat mesin hidup dan batas kecepatan saat mesin mobil mati. Dengan mengidentifikasi variabel dan hubungan antar variabel terhadap konsumsi bahan bakar, seperti koefisien drag, koefisien rolling resistance, karakteristik mesin mobil, dan karakteristik lintasan. Untuk mendapatkan mode berkendara dengan konsumsi bahan bakar yang optimum, simulasi dijalankan dengan memvariasikan kecepatan mobil saat mesin hidup dan kecepatan mobil saat mesin mati. Untuk menjamin kebenaran model, model digunakan untuk mensimulasikan mobil SA8 di lintasan Kenjeran dan Manila. Validasi dilakukan dengan cara membandingkan jumlah siklus OnOff dan konsumsi bahan bakar aktual dengan hasil simulasi, dan berdiskusi langsung dengan pengendara mobil SA8. Didapatkan bahwa konsumsi bahan bakar hasil simulasi di Kenjeran adalah 189 km/l dan hasil simulasi di Manila adalah 158 km/l. Error hasil simulasi berada dibawah 1% bila dibandingkan dengan konsumsi bahan bakar aktual yaitu 191 km/l dan 151 km/l. Tidak ada perbedaan antara siklus On-Off mobil hasil simulasi dengan kondisi aktualnya. Model dapat dikatakan valid karena error yang dimiliki model kurang dari 5%. Dengan menggunakan model yang telah divalidasi, mobil SA7 disimulasikan di lintasan. Dari penelitian ini didapatkan bahwa konsumsi bahan bakar optimum yang dimiliki mobil SA7 adalah 170 km/l. Mesin menyala sebanyak empat kali selama melintasi lintasan sepang, dimana mesin mobil mati bila kecepatan mobil sudah mencapai 42 km/jam dan hidup bila mencapai kecepatan 25 km/jam.
memiliki mesin dengan efisiensi tinggi serta perbandingan transmisi yang optimal. Dampak cara mengemudi terhadap konsumsi bahan bakar ternyata sudah menjadi perhatian peneliti sejak lama. Salah satu peneliti yang tertarik dengan masalah ini adalah Evans (1979). Peneliti lain mengenai moda berkendara adalah J.N. Hooker (1986). Hooker membuat analisa yang sangat terinci yang menghubungkan bagaimana cara mengemudi dengan konsumsi bahan bakar. Untuk mengembangkan model dan simulasi digunakan persamaan – persamaan dinamika kendaraan. Jeongwoo Lee (2009)[2] menjelaskan bahwa gaya-gaya yang bekerja pada sebuah kendaraan yang sejajar dengan arah akselerasi dapat dijabarkan dalam gambar 1.
Gambar 1. Dinamika Kendaraan (sumber:Jeongwoo Lee, 2009)[2]
Kata kunci---Dinamika Kendaraan, Pemodelan, Sapu Angin, Simulasi I. PENDAHULUAN Kelangkaan energi merupakan permasalahan yang melanda semua masyarakat di berbagai negara dunia. Tim Sapuangin ITS menawarkan alternatif solusi lain untuk mengatasi permasalahan ini yaitu dengan merancang dan membuat mesin dan kendaraan yang lebih hemat energi. Mobil-mobil Sapu Angin telah memenangkan lomba Shell Eco-Marathon Asia (SEMA) mulai 2010, 2011, dan 2012 untuk kelas Urban Concept Car. Prinsip utama agar mobil ini hemat energi adalah terletak pada bobot yang ringan, beban terbagi merata, gesekan mekanis minimal, rolling resistance roda minimal, bentuk aerodinamik dan
Gambar 2. Mobil SA7 F traksi adalah gaya dorong kendaraan oleh mesin pada roda penggerak. Dalam tujuannya memenuhi driver demand, gaya ini dihambat oleh gaya hambat kendaraa. Gaya hambat pada kendaraan dapat dijabarkan dalam tiga macam gaya. Pertama adalah gaya hambat karena udara. Gaya ini disebut drag force. Besarnya gaya ini dipengaruhi oleh massa jenis udara (ρ), luasan frontal area (A), koefisien drag (C), dan kecepatan kendaraan (V).
F drag =½.ρ.C D. A .V2
(1)
Koefisien drag yang digunakan pada mobil SA7 adalah 0,3, disesuaikan dengan koefisien drag yang dimiliki mobil Hatchback [1]. Gaya yang kedua adalah rolling resistant. Yaitu gaya hambat karena gesekan ban dengan jalan. Besarnya gaya ini dipengaruhi oleh koefisien rolling (C rr ), massa kendaraan (m), percepatan gravitasi (g), dan sudut tanjakan kendaraan (θ). F rr =C rr .m.g.cos(θ)
(2)
Koeffisien rolling resistant yang digunakan adalah 0,3[1], disesuaikan dengan roda yang digunakan SA7 yaitu roda sepeda motor. Gaya yang ketiga adalah gaya hambat karena sudut kemiringan trek. Besar gaya ini dipengaruhi oleh berat kendaraan dan sudut kemiringan trek. F grad =m.g.sin(θ)
(3)
Akselerasi memiliki pengaruh besar pada performa kendaraan. Untuk melakukan akselerasi, diperlukan gaya lebih karena harus melawan gaya inersia kendaraan. Gaya inersia karena akselerasi ini dipengaruhi oleh besar akselerasi (a) dan massa kendaraan. F inertia =m.a
(4)
Pada sebuah kendaraan yang dipacu dengan akselerasi tertentu, gaya traksi yang harus dicapai oleh mesin dapat dijabarkan sebagai penjumlahan dari gaya-gaya hambat dan inersia akibat percepatan. Daya traksi merupakan perkalian gaya (F) dengan kecepatan (V). F traksi =F drag +F rr +F grad +F inertia
(5)
P traksi = ( F drag +F rr +F grad +F inertia )V
(6)
𝑉𝑡 = 𝑉𝑜 + 𝑎𝑡 2
(7)
P traksi digunakan sebagai referensi daya yang harus dihasilkan engine agar kendaraan mampu beregerak sesuai dengan driver demand. Daya engine yang dihasilkan harus sama dengan atau lebih besar dari daya traksi dibagi effisiensi transmisi. 𝑃 𝑡𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖
𝑃𝑒𝑛𝑔𝑖𝑛𝑒 ≥ 𝐸𝑓𝑓 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑖
N roda =N engine .r transmisi
(9)
F inertia = -(F drag + F grad +F rr )
Pengineout = Pfuel = Pengineloss = Ptf,loss = 0
(13) (14)
Pada kondisi kecepatan konstan, gaya inersia diabaikan karena percepatan bernilai nol.
Ptrac , wheel = ( Fdrag + Fgrad + Frr )V
(15)
Kendaraan dapat berada dalam kondisi deselerasi baik saat mesin dimatikan maupun saat mesin hidup. Saat kondisi mesin mati, mesin tidak tersambung dengan roda penggerak sehingga tidak menimbulkan kerugaian daya karena engine brake. Untuk dapat terus bergerak dan melawan gaya hambat, kendaraan hanya digerakkan oleh inersia kendaraan itu sendiri. Nilai perlambatan dapat dihitung dengan perumusan. m.a =F drag +F rr +F grad - F trac
(16)
II. URAIAN PENELITIAN Adapun pelaksanaan penelitian ini dilakukan dengan tahapan berikut, Mulai
Indentifikasi variable yang mempengaruhi karakter operasi dan unjuk kerja mobil Sapu Angin
Indentifikasi dan menentukan fungsi transfer hubungan antar variabel dan kombinasi dari berbagai variabel pada mobil Sapu Angin
Indentifikasi dan Digitasi lintasan sikuit
Pengembangan model simulasi dengan bantuan software
Validasi dan Verifikasi
Penentuan parameter optimal dari desain mobil Sapu Angin dan parameter operasi pengendaraan mobil di lintasan sirkuit
(10)
Kondisi gelinding adalah kondisi dimana kendaraan melaju tanpa menggunakan dorongan tenaga dari engine. Laju kendaraan hanya mengandalkan inersia. Dalam kondisi ini gaya traksi kendaraan besarnya adalah nol. Pada saat gelinding, kendaraan dapat mengalami akselerasi maupun deselerasi tergantung dari lintasan yang sedang dilalui. F traksi =0
1 ( Fdrag + Fgrad + Frr ) m
(8)
Jika diasumsikan tidak ada slip kopling, maka putaran roda, dapat diperoleh dengan menghitung rasio transmisi. Putaran roda didapat dari perhitungan kecepatan kendaraan. Kecepatan putaran engine merupakan inputan pada model engine agar didapat nilai tingkat konsumsi bahan bakar kendaraan. V kendaraan = N roda. .2.π.D roda
a=−
(11) (12)
Selesai
Gambar 3. Diagram alir penelitian Identifikasi variabel yang mempengaruhi karakter operasi dan unjuk kerja mobil Sapu Angin. Mobil Sapu Angin merupakan desain mobil yang dirancang untuk dapat beroperasi dengan penggunaan bahan bakar yang sehemat mungkin. Spesifikasi penting dari disain mobil Sapu Angin antara lain: disain bentuk body beserta bahan, disain mesin penggerak,
disain transmisi, disain struktur dan bahan kerangka. Selain itu, besaran-besaran lain yang mempengaruhi karakter operasi mobil Sapu Angin akan diidentifikasi dengan teliti. Variabel ini antara lain, kontur tinggi rendah lintasan sirkuit, kondisi tikungantikungan yang ada pada lintasan, sifat dan laju penggunaan bahan bakar. Variable-variabel tersebut perlu diidentifikasi perilaku dan pengaruhnya pada kinerja mobil. Mesin penggerak yang digunakan adalah Yanmar L48V. Dengan karakteristik mesin tertentu.
Gambar 4. Karakteristik Mesin L48V (Sumber: Yanmar)[6] Identifikasi dan Digitasi sirkuit lintasan. Lintasan yang akan digunakan untuk uji coba, maupun lintasan yang akan digunakan untuk kompetisi mobil sapu angin merupakan lintasan fisik dan mempunyai karakteristik tertentu. Karakteristik ini meliputi panjang, kontur tinggi rendah lintasan, beserta tikungan-tikungan yang ada. Untuk keperluan simulasi, lintasan ini harus di digitasi menjadi besaran numerik atau fungsi matematik yang dapat dijadikan sebagai input untuk simulator model. Berikut adalah lintasan sirkuit Sepang Malaysia yang digunakan sebagai arena kompetisi.
Gambar 5. Sirkuit Internasional Sepang Malaysia (sumber : Google Earth) Dengan bantuan software Google Earth didapatkan karakteristik lintasan yang ditabelkan sebagai berikut,
Table 1. Tabel Karakteristik Lintasan Sepang Titik ke Titik Jarak (m) Sudut Tanjakan (rad) Start - b 256,1 0,014282407 b-c 31,57 0 c-d 33,57 -0,00907966 d-e 39 -0,04690951 e-f 55,31 -0,038584876 f-g 30,41 -0,050136095 g-h 108,65 -0,005610706 h-i 69,17 -0,057316327 i-j 83,9 -0,054520451 j-k 91,59 -0,02662614 k-l 420,84 0,036945958 l-m 24,46 0 m-n 251,48 -0,001212025 n-o 74,57 0 o-p 77,49 0,007866903 p-q 104,85 0,014535562 q-r 75,04 -0,020310565 r-s 67,27 -0,013593402 s-t 50,54 0,012062026 t-u 96,35 -0,022146076 u-v 208,31 0,020486287 v - Start 358,71 -0,011046474 Pengembangan Model Simulasi dengan bantuan software. Hubungan antara berbagai variable, karakteristik lingkungan, dan kinerja mobil akan dimodelkan dalam fungsi transfer besar dan komplek, akan dijalankan secara simultan dengan menggunakan software simulai. Secara umum model dibuat dengan mengikuti diagram alir sebagai berikut.
Gambar 6. Diagram alir pemodelan Prosedur verifikasi dan validasi model simulasi akan dilakukan untuk menjamin keakurasian dari model. Dengan cara membandingkan hasil konsumsi bahan bakar mode berkendara di dalam software dan mode berkendara yang sebenarnya. Validasi juga dilakukan guna mendapatkan nilai – nilai konstanta agar hasil simulasi mendekati hasil yang aktual. Penentuan parameter optimal dari disain mobil Sapu Angin dan parameter operasi pengendaraan mobil sirkuit lintasan. Setelah model simulasi disusun, kemudian model akan digunakan untuk menguji dan mencari spesifikasi berbagai komponen mobil maupun parameter operasi yang memberikan
kinerja terbaik. Dalam hal ini difokuskan pada mode pengendaraan mobil Sapu Angin pada lintasan tertentu. III. HASIL DAN DISKUSI A.Validasi Pemodelan Validasi model dilakukan dengan membandingkan siklus on-off mesin dengan keadaan aktual. Data elevasi dan panjang lintasan diubah sesuai dengan lintasan yang dilalui mobil guna melakukan evaluasi dan validasi terhadap model. Begitu juga dengan berat mobil yang digunakan juga disesuaikan dengan mobil Sapu Angin 8 (S A8). Model yang telah dibuat divalidasi dengan data yang didapat dari SEM 2014 di Manila dan IEMC 2013 s eperti siklus On-Off mesin mobil dan konsumsi bahan bakar. Kemudian dibandingkan dengan konsumsi bahan bakar dan siklus On-Off yang didapat dari hasil simulasi. Didapatkan bahwa konsumsi bahan bakar hasil simulasi di Kenjeran adalah 189 km/l dan hasil simulasi di Manila adalah 158 km/l. Error hasil simulasi berada dibawah 1% bila dibandingkan dengan konsumsi bahan bakar aktual yaitu 191 km/l dan 151 km/l. Tidak ada perbedaan antara siklus On-Off mobil hasil simulasi dengan kondisi aktualnya. Model dapat dikatakan valid karena error yang dimiliki model kurang dari 5% B. Hasil Simulasi Model yang telah divalidasi, digunakan untuk mensimulasikan mobil sapu angin 7 (SA7) pada lomba SEM di lintasan sepang dengan memvariasikan kecepatan mobil saat mesin hidup dan kecepatan mobil saat mesin mati. Dengan merubah batas kecepatan mesin mobil mati dan mesin mobil hidup akan ditentukan strategi yang tepat dengan rasio konsumsi bahan bakar yang paling optimum. Sehingga rasio konsumsi bahan bakar dan mode berkendara yang didapat berbeda dengan hasil yang didapat dari perlombaan yang sebenarnya yaitu Shell Eco Marathon 2012. Dengan rasio konsumsi bahan bakar adalah 161 km/l dengan tiga kali mesin menyala selama melintas di sirkuit Sepang. Data yang didapat dari simulasi berupa fungsi waktu, sehingga dapat diamati dalam kondisi sesaat. Contohnya saat detik tertentu mobil sudah menempuh lintasan sepanjang kilometer tertentu, sedang melaju dalam kecepatan tertentu, dan dengan kondisi mesin tertentu. Tetapi untuk memudahkan analisa, data yang sebelumnya merupakan fungsi waktu diplot kedalam fungsi jarak dan kemudian dianalisa. Didapatkan bahwa kecepatan optimal saat mesin hidup dan mati adalah pada kecepatan 42 km/jam dan 25 km/jam. Dan pada gambar dibawah dapat dilihat respon kecepatan mobil dan hidup mati mesin sepanjang lintasan.
Dapat diamati pada saat start mesin mobil hidup dan mobil melaju dengan kondisi mesin mobil hidup pada tanjakan pertama. Kemudian mesin mobil mati pada jarak 284 m, lalu meluncur tanpa menghidupkan mesin pada turunan pertama hingga sedikit melewati tanjakan kedua. Dapat dilihat pada trend grafik kecepatan, kecepatan mobil relatif tetap pada saat mobil melalui turunan pertama tersebut. Pada saat memasuki tanjakan kedua, kecepatan mobil menurun drastis. Kemudian di titik 918 m, saat menempuh tanjakan kedua, mesin mobil kembali hidup hingga melewati tanjakan tersebut pada titik 1282 m. Mobil sapu angin meluncur hingga titik 1625 m , kemudian mesin mobil hidup untuk melewati tanjakan ketiga hingga titik 1787 m. Kecepatan mobil tidak langsung meningkat saat mesin mobil hidup, karena gaya yang dihasilkan mesin belum sanggup melawan gaya hambat yang dimiliki mobil saat itu. Mobil sapu angin meluncur hingga melewati turunan kedua dan sedikit menempuh tanjakan keempat, pada titik 2123 m mesin mobil kembali menyala hingga melewati tanjakan ke empat pada titik 2248 m . Mobil sapu angin meluncur tanpa menghidupkan mesin hingga menyentuh garis finish. Dari hasil simulasi ini dapat dilihat bahwa mesin mobil selalu hidup saat sedang menempuh tanjakan, kemudian mesin mobil mati saat tepat dipuncak tanjakan. Pada saat turunan mobil selalu meluncur tanpa menghidupkan mesin.
Gambar 8. Konsumsi Bahan Bakar Mobil SA7 Bahan bakar yang dikonsumsi oleh mobil sapu angin setiap putarannya adalah 13.59 gram setiap putarannya. Atau setara dengan 0.01532 l atau 15.37 ml bila dikalikan dengan massa jenis bahan bakar. Fuel consumption ratio-nya adalah 170.28 km/l. Didalam pemodelan ini bahan bakar yang digunakan adalah FAME dengan massa jenis 887 g/l. Didalam pemodelan ini massa jenis tidak dipengaruhi oleh perubahan suhu, sehingga tidak ada pertambahan atau pengurangan volume bahan bakar yang dikonsumsi oleh mobil sapu angin akibat perubahan suhu.
Gambar 9. Grafik Jarak Tempuh Mobil Terhadap Waktu Gambar 7. Grafik Kecepatan, On-Off, dan Elevasi Sepanjang Lintasan Sepang Gambar diatas adalah grafik untuk melihat kecepatan, siklus hidup – mati mesin mobil sapu angin dan kondisi lintasan di sepanjang lintasan sepang.
Grafik 7 diatas menunjukkan bahwa mobil SA7 menyelesaikan satu putaran lintasan dalam 303 de tik. Bila dibandingkan dengan ketentuan regulasi yaitu 305 detik, mobil SA7 lebih cepat 2 detik untuk menyelesaikan satu putaran. Mobil SA7 dapat menyelesaikan satu putaran dengan waktu yang sesuai dengan regulasi. Hasil simulasi ini dapat diterima karena waktu yang ditempuh mobil SA7 untuk menyelesaikan satu putaran kurang dan mendekati regulasi lomba.
Batas kecepatan mesin hidup 42 km/jam dan batas kecepatan mesin hidup 25 km/jam adalah parameter operasi mobil SA7 paling optimal bila dibandingkan dengan parameter operasi mobil mesin mobil SA7 yang lain. IV. KESIMPULAN Adapun kesimpulan yang dapat diambil dari pemodelan dan simulasi mobil sapu angin ini adalah, 1. Model yang dibuat untuk mensimulasikan mobil SA7 telah divalidasi dengan mensimulasikan mobil SA8 di lintasan Manila dan Kenjeran dimana hasil simulasi memiliki error kurang dari 5%. 2. Hasil optimasi didapatkan, pengendara mematikan mesin pada saat kecepatan mobil 42 km /jam dan menghidupkan mesin mobil pada saat mobil memiliki kecepatan 25 km/jam dengan konsumsi bahan bakar adalah 170,28 km/jam bila dibandingkan dengan parameter operasi yang lain. 3. Mode berkendara sangat mempengaruhi konsumsi bahan bakar kendaraan. Semakin tinggi kecepatan mobil maka daya yang dihasilkan mesin akan semakin besar hal ini menyebabkan konsumsi bahan bakar akan semakin tinggi. Namun bila kecepatan mobil terlalu rendah, maka mobil SA7 tidak dapat menyelesaikan satu putaran lintasan Sepang. 4. Karaktersistik mesin, lintasan, dan mobil sangat mempengaruhi konsumsi bahan bakar karena gaya – gaya hambat yang bekerja pada mobil akan mempengaruhi daya yang harus dihasilkan oleh mesin mobil untuk melawan gaya hambat tersebut. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Laboratorium Sistem Manufaktur Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember dan semua yang terlibat dalam penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] I Nyoman Sutantra, Prof., Ir., M.Sc., Ph.D.. 2001. Teknologi Otomotif: Teori dan Aplikasinya. Surabaya : Edisi pertama, Cetakan pertama, Guna Widya Press. [2] Assanis, Dennis dkk. 2000. Validation and Use of SIMULINK Integrated, High Fidelity, EngineIn-Vehicle Simulation of the International Class VI Truck. University of Michigan: Automotive Research Center. [3] Grunditz & Jansson. 2009. Modelling and Simulation of a Hybrid Electric Vehicle for Shell Eco-marathon and an Electric Go-kart. Swedia: Department of Energy and Environment CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. [4] Lee, Jeongwoo. 2009. Vehicle Inertia Impact on Fuel Consumption of Conventional and Hybrid Electric Vehicles Using Acceleration and Coast Driving Strategy. Blacksburg, Virginia, USA: Virginia Polytechnic Institute and State University. [5] Rahmanu, Iswahyudi. 2010. PEMODELAN DAN SIMULASI PERFORMA SAPU ANGIN I MENGGUNAKAN MATLAB SIMULINK. Surabaya, Indonesia: Sepuluh Nopember Institute of Technology. [6] YANMAR. 2013. Yanmar L48V Performance Curve.
[7] Sepang International Circuit. 2013. North Track.
