Unjuk Kerja Diesel Engine Type Direct Injection Dengan Metode Simulasi dan Eksperimen Noah Cahyasasmita Dosen Pembimbing : Ir. Aguk Zuhdi M.F, M.Eng, Ph.D. Jurusan Teknik Sistem Perkapalan Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Abstrak Akhir-akhir ini dipasaran banyak beredar produk-produk motor diesel 4 langkah dari China. Pada umumnya informasi tentang spesifikasi produk China sangat minim. Dikhawatirkan power yang dihasilkan tidak sesuai dengan daya yang tertera sehingga dapat merugikan konsumen. Untuk menjawab kebenaran informasi ini maka perlu adanya penelitian yang lebih lanjut. Tugas akhir ini bertujuan untuk mendapatkan perbandingan unjuk kerja yang didapat berdasarkan eksperimen dan simulasi. Disini penulis ingin melakukan perbandingan unjuk kerja mesin diesel dengan menggunakan metode eksperimen dan metode simulasi. Eksperimen dilakukan dengan cara elektrik dynamometer dengan beban lampu. Sedangkan metode simulasi yang digunakan menggunakan salah satu program yang ada. Hasilnya didapatkan bahwa daya tertinggi dari simulasi 23% lebih besar dari daya eksperimen. Torsi tertinggi dari eksperimen 24% lebih kecil dari torsi simulasi. Sfoc terendah dari eksperimen 42% lebih besar dari sfoc simulasi. Bmep tertinggi dari simulasi 19% lebih besar dari bmep eksperimen. Kata kunci: daya, torsi, sfoc, bmep.
PENDAHULUAN Motor diesel merupakan suatu unit peralatan yang pada umumnya digunakan sebagai alat penggerak atau pembangkit. Di industri perkapalan khususnya kapal niaga (merchant ship), motor diesel masih paling sering digunakan sebagai penggerak utama kapal dengan berbagai variasi merk motor diesel yang digunakan. Akhir-akhir ini dipasaran banyak beredar produk-produk motor diesel dari China. Diperkirakan engine produk China ini digemari karena harganya sangat murah. Umumnya pengguna produk ini adalah masyarakat menengah kebawah. Pada umumnya spesifikasi produk China sangat minim. Minimnya informasi dari spesifikasi ini menyebabkan kurangnya informasi kinerja motor diesel. Kadang-kadang power yang dihasilkan tidak sesuai dengan spesifikasi yang tertera. Oleh karena itu, untuk menjawab kebenaran informasi ini maka perlu adanya penelitian yang lebih lanjut.
Untuk mengetahui kinerja motor diesel pada awalnya hanya dapat dilakukan dengan menggunakan metode eksperimen. Namun akhir-akhir ini telah banyak software professional yang bisa memprediksi performance motor diesel. Kelebihan eksperimen menghasilkan performance engine yang nyata namun memerlukan biaya yang besar dan waktu yang relative lebih lama. Sedangkan dengan menggunakan metode simulasi selain dapat dilaksanakan lebih cepat juga dapat menurunkan biaya penelitian.
TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI Motor diesel adalah jenis motor pembakaran dalam (internal combustion engine), dimana sistem penyalaan bahan bakar dengan cara menyemprotkan bahan bakar dengan pompa bertekanan kedalam silinder yang berisi udara terkompresi. Dengan tekanan dan 1
adalah akurasi dari pensimulasian. Akurasi pensimulasian sangat tergantung dari software dengan orang yang melakukan simulasi. Oleh karena itu perlu adanya validasi. Validasi bisa dilakukan dengan menggunakan engine manual atau dengan menggunakan eksperimen. Validasi dengan engine manual hanya bisa untuk memvalidasi pada satu kondisi saja, karena didalam manual book hanya ditunjukkan pada putaran maksimum. Validasi dengan menggunakan eksperimen banyak dilakukan oleh para peneliti salah satunya adalah Bos (2007). Bos dalam thesisnya memvalidasi dengan menggunakan diesel engine Cyclops untuk memvalidasi simulasi yang dilakukan dengan menggunakan GT Power. Kinerja mesin lainnya yang berhubungan didefinisikan oleh Heywood, Stone, dan Ganesan. Mean efektif tekanan (mep) dimana n R adalah jumlah putaran engkol untuk setiap langkah daya per silinder (dua untuk empat langkah, satu untuk dua siklus langkah) sebagai berikut:
temperatur udara didalam silinder yang tinggi dimana melebihi temperatur nyala bahan bakar maka bahan bakar akan terbakar bersamaan dengan udara bertekanan kemudian akan menghasilkan suatu kerja. Setiap engine pasti mempunyai performa. Tujuannya adalah untuk memberikan informasi kepada customer. Banyak produkproduk engine manufacture yang memberikan informasi secara lengkap. Tidak jarang pula yang memberikan informasi sangat minim. Umumnya engine-engine produksi China memberikan informasi performa engine sangat minim. Dilain pihak engineengine tersebut banyak beredar dipasaran Indonesia. Salah satunya adalah diesel engine merk Shanhai. Engine ini hanya menginformasikan daya dan putaran maksimum saja. (Shanhai book, 2010). Dari informasi tersebut belum dapat digunakan sebagai prediksi keperluan bahan bakarnya misalnya, untuk menyiapkan tanki bahan bakar kapal-kapal kecil. Untuk dapat mengetahui peforma motor diesel hanya dapat dilakukan dengan metode eksperimen. Oleh sebab itu, dalam skripsi ini akan dilakukan perbandingan dua metode antara metode eksperimen dengan metode simulasi. Didalam mengoperasionalkan sering disebutkan bahwa motor mengalami over load, over load adalah pembebanan pada motor yang melebihi dari beban nominal pada motor, sedangkan beban nominal motor diesel merupakan daya maksimal yang dapat dihasilkan oleh motor diesel. Sehingga motor diesel dikatakan over load jika motor diesel tersebut bekerja pada beban yang melebihi daya maksimal (100 %) yang dihasilkan motor diesel. Akhir-akhir ini performa engine sudah dapat dilakukan dengan cara simulasi. Cara pensimulasian bisa menggunakan software professional ataupun dengan menggunakan program sendiri. Salah satu contoh simulasi seperti yang dilakukan oleh Semin at-al (2008). Kelebihan dari simulasi adalah murah dalam penelitian tidak memerlukan eksperimen yang memakan waktu cukup lama. Kekurangannya
bmep =
P nR Vd N
Ukuran efisiensi sebuah mesin yang nantinya akan dinamai dengan efisiensi bahan bakar yang diberikan oleh Heywood :
nf =
Wc P (P nR I N) = mf QHV (mf nR I N) QHV mf QHV Konsumsi bahan bakar specific :
sfoc =
mf P
Dalam pengujian mesin, baik massa udara maupun laju aliran dan aliran massa bahan bakar mf rate yang biasanya diukur. rasio dari laju aliran berguna dalam mendefinisikan mesin kondisi operasi udara / bahan bakar rasio (A / F) dan bahan bakar / udara rasio (F / A). Berikut hubungan antara mesin diesel parameter kinerja dapat dikembangkan :
2
pembebanan elektrik sampai dengan beban overload. Langkah – langkah percobaan yang akan dilaksanakan adalah sebagai berikut :
Untuk power (P) :
ne = nf ma N QHV (F/A) nR
1.
a. Persiapan mesin Data-data mesin yang digunakan dalam percobaan sebagai berikut :
Untuk torque (T) :
T= nf nv vd QHVρa , i (F/A) 4π
=
Nama
: Shanhai
Model
: R 175 A
Tipe
Untuk BMEP : bmep = nf nv QHV (F/A) Sedangkan untuk mencari daya yang ditransmisikan poros motor adalah sebagai berikut Ne
Persiapan
: Motor diesel 4-langkah, Horisontal
Jumlah silinder
Volume langkah
: Singlecylinder. : 75 mm x 80 mm. : 353 cc.
Power
: 5,2 kw/2700
Diameter x langkah
bmep x V x n x Z 2 x 60 x 75
Ne = daya yang ditransmisikan poros motor (hp) Pe = tekanan efektif ratarata tanpa turbo charge (7,35 kg/cm²) V = volume penampang torak (cc/cm³ ) n = putaran motor (rpm) Z = jumlah silinder atau perhitungan hasil percobaan pembebanan pada diesel dengan daya yang dihasilkan generator + kerugian akibat gesekan vanbelt dengan pully dan mekanik generator. Ne(G) = V x I x Co s θ (watt) dimana Cos θ = 0,8
rpm Generator
: 220 VAC/5 kW/1500 rpm
Sebelum dilakukan percobaan terhadap objek uji, yaitu Mesin Diesel Generator Shanhai R175 A dengan alternator ST-7.5, terlebih dahulu dilakukan pengukuran tekanan injector, gab (clearance) dari ring piston dan komponen lainnya untuk mengetahui performa awal. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada eksperimen engine diputar pada 2300 rpm hingga 2700 rpm. Tujuan dari interval rpm ini adalah untuk mendapatkan estimasi besarnya daya maksimum pada putaran tertentu. Dicatat bahwa pada putaran 2382 rpm didapat besarnya daya yang keluar adalah 1,71054 kW. Pengukuran daya ini mengacu pada besarnya penunjukan VxI pada alat ukur mesin uji. Sedangkan besarnya torsi pada putaran 2382 rpm ini adalah 6,860932. Torsi ini dihitung menggunakan rumus T =(daya x 60000)/(2 x π x rpm). Selanjutnya menghitung sfoc dengan rumus
METODOLOGI Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah dengan melakukan percobaan–percobaan atau eksperimental, di mana percobaan tersebut dilakukan di laboratorium Motor Bakar Jurusan Teknik Sistem Perkapalan ITS Surabaya. Percobaan ini dilaksanakan dengan beban dari
3
Sfoc =
m Ne
m
= kecepatan aliran bahan bakar
(gr/kW h)
0,0003268 (kg/s) = ρ
PUTA RAN DS L
ρ .v t
= kerapatan massa bahan bakar (830 kg/m³) v = volume 0,000005 (m³) t = waktu (s) Ne = daya 2,4852 (kW) Sehingga didapatkan harga sfoc pada putaran 2382 rpm sebesar 576,5072 g/kWh. Bmep dihitung dengan rumus
Ne .Z.1000 (kg/m2) n A . L . 2.3,14 . i 60 Ne .Z.1000 = n v . 2.3,14 . i 60
Bmep =
Ne = 5,66251 kW/ A = luas penampang torak (m2) L = panjang langkah torak (m) I = jumlah silinder V = volume 0,000353 (m³) n = putaran motor 2633 (rpm) z = konstanta 2 (z =1 dua langkah atau z = 2 empat langkah) dari hasil perhitungan diatas diatas didapat hasil bmep 38093,874 N/m2. Selanjutnya dengan cara yang sama pada rpm-rpm seperti yang tertera pada table 4.1 berikut akan didapatkan lah daya, torsi, sfoc, dan bmep untuk masin-masing rpm terkait. Dari table 4.1 berikut terlihat bahwa daya maksimum sebesar 2,82528 kW terjadi pada putaran mesin 2633 rpm. Pada daya ini engine sudah tidak dapat dinaikkan rpm nya dan pada saat beban ditambah 50 W rpm engine mengalami penurunan. Hasil eksperimen dan perhitungan diatas secara lengkap dapat dilihat pada table 4.1.
Tabel 4.1 Eksperimen TORS BMEP DAY I (N/m2) SFOC A (g/kWh) (kW)
238 2
1,710 54
6,8609 576,507 32 2
242 0
1,980 16
7,8176 507,046 55
246 2 251 6 253 9 259 3 263 3 262 6 262 4
2,158 2 2,360 6 2,485 2 2,698 08 2,825 28 2,803 5
8,3752 01 8,9640 31 9,3516 93 9,9413 17 10,251 85 10,199 94 10,209 53
2,804
483,748 1 475,857 1 473,353 4 479,417 4 494,202 9 519,907 6 514,792 5
38093, 874 434068 ,17 465025 ,29 497719 ,56 519244 ,18 551982 ,45 569224 ,57 566342 ,1 566874 ,83
Berikut kami sertakan juga grafik-grafik daya vs rpm, torsi vs rpm, sfoc vs rpm, dan bmep vs rpm. .
Grafik 4.1 Daya fungsi RPM
4
PUTA RAN DS L
DAY A (kW)
238 2
3,188
12,78 2
268,94 8
454497
242 0
3,235
12,76 5
269,30 4
453895
246 2 251 6 253 9 259 3 263 3 262 6 262 4
TORS I
SFOC (g/kWh )
12,74 269,79 453075 2 2 12,71 270,39 3,350 452066 4 4 12,70 270,69 3,377 451558 0 8 12,68 271,07 3,444 450932 2 4 12,66 271,36 3,493 450455 9 1 12,67 271,30 450541 3,484 1 9 12,67 271,32 3,482 450523 0 0 Tabel 4.2 Data Simulasi Berikut kami sertakan juga grafik-grafik daya vs rpm, torsi vs rpm, sfoc vs rpm, dan bmep vs rpm
Grafik 4.2. Torsi fungsi RPM
3,285
Grafik 4.3 SFOC fungsi RPM
Grafik 4.4 BMEP fungsi RPM Pada metode simulasi ini dengan inputan sama dengan rpm-rpm yang diambil pada eksperimen didapatlah daya, torsi, sfoc, bmep. Hasil simulasi pada beberapa ditabulasikan dalam table 4.2. .
BMEP (N/m2)
rpm saat dan rpm
Grafik 4.5. Daya fungsi RPM
5
Grafik 4.6 Torsi fungsi RPM.
Grafik 4.9 Perbandingan Daya Dari grafik perbandingan yang didapat dari daya eksperimen dan simulasi (grafik 4.9) tampak bahwa pada putaran 2382 rpm terdapat perbedaan daya sebesar 1,478 kW atau sebesar 86,40%. Sedangkan pada putaran 2633 rpm terdapat selisih daya sebesar 0,668 kW atau sebesar 23,64%. Jadi terlihat bahwa makin besar rpm engine maka semakin kecil perbedaan daya yang dihasilkan. Kemungkinan selisih perbedaan daya ini disebabkan karena adanya kerugian mekanis dan menurunnya efisiensi volumetris . Daya poros diperoleh melalui pengubahan energy kimia atau nilai kalor bahan bakar. Makin banyak bahan bakar yang dapat dibakar, makin besar daya yang dapat dihasilkan. Hal itu dapat terjadi jika tersedia udara secukupnya. Namun demikian, pada mesin empat langkah terdapat impitan katup (valve overlap) sehingga sebagian dari udara segar juga keluar dari dalam silinder. Menurut Burghardt dan Kingsley (1983) salah satu hal yang menyebabkan penyimpangan dari keadaan ideal adalah adanya kebocoran gas melalui sisi torak. Sedangkan “daya poros” yaitu daya pada poros mesin lebih kecil lagi, karena adanya kerugian-kerugian gesek antara torak dan dinding silinder, pada bantalan, roda gigi,daya untuk menggerakkan pompa bahan bakar, dan katup.
Grafik 4.7 SFOC fungsi RPM
Grafik 4.8 BMEP fungsi RPM
6
g/kWh atau sebesar 74,86% lebih rendah simulasi daripada eksperimen.
Grafik 4.10 Perbandingan Torsi Dari grafik perbandingan yang didapat dari torsi eksperimen dan simulasi (grafik 4.10) tampak bahwa pada putaran 2382 rpm terdapat perbedaan torsi sebesar 5,921 atau sebesar 86,30%. Sedangkan pada putaran 2633 rpm terdapat selisih torsi sebesar 2,417 atau sebesar 23,57%. Kemungkinan selisih perbedaan torsi ini disebabkan karena adanya kerugian mekanis dan menurunnya efisiensi volumetric.
Grafik 4.12 Perbandingan BMEP Dari grafik perbandingan yang didapat dari bmep eksperimen dan simulasi (grafik 4.12) tampak pada putaran 2382 rpm terdapat perbedaan bmep sebesar 73403,13 N/m2 lebih kecil eksperimen daripada simulasi atau sebesar 19,26%. Sedangkan pada putaran 2633 rpm terdapat selisih bmep sebesar 118770 N/m2 lebih besar bmep eksperimen daripada simulasi atau sebesar 20,87%. Daya poros diperoleh melalui pengubahan energy kimia atau nilai kalor bahan bakar. Makin banyak bahan bakar yang dapat dibakar, makin besar daya yang dapat dihasilkan. Hal itu dapat terjadi jika tersedia udara secukupnya. Namun demikian, pada mesin empat langkah terdapat impitan katup (valve overlap) sehingga sebagian dari udara segar juga keluar dari dalam silinder. Pada mesin ini inlet valve terbuka (pembukaan pendahuluan) 100 sebelum TMA sedangkan pada saat ini exhaust valve pada kondisi penutupan susulan dan baru pada 100 setelah TMA. Menurut Burghardt dan Kingsley (1983) salah satu hal yang menyebabkan penyimpangan dari keadaan ideal adalah adanya kebocoran gas melalui sisi torak. Sedangkan “daya poros” yaitu daya pada poros mesin lebih kecil lagi, karena adanya kerugian-kerugian gesek antara torak dan dinding silinder, pada bantalan, roda gigi,daya untuk menggerakkan pompa bahan bakar, dan katup. Daya yang dihasilkan di dalam silinder dinamai “daya indikator”. Sedangkan daya gesek atau kerugian mekanis, adalah selisih antara daya indikator dan daya poros. Sebuah mesin 4 langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapnya sebanyak volume langkah torak untuk setiap langkah isap, maka hal itu merupakan sesuatu yang ideal.
Grafik 4.11 Perbandingan SFOC Pada sfoc hanya diambil satu titik saja. Pada titik dimana harga sfoc paling rendah. Pada umumnya dari studi literature yang kami baca diketahui bahwa sfoc terendah didapat pada putaran normal continuous rating (MCR). Putaran ini rata-rata 80% - 85% MCR. Khusus fenomena sfoc diatas harga sfoc menurut metode simulasi cenderung untung naik seiring dengan naiknya rpm. Untuk memperbandingkan sfoc yang didapat dari metode eksperimen dan simulasi ini diambil rpm engine dimana sfoc pada metode eksperimen terkecil. Dari grafik terlihat bahwa sfoc terendah pada eksperimen adalah 473,353 g/kWh. Pada rpm ini sfoc simulasi adalah sebesar 270,698 g/kWh. Jadi terdapat perbedaan sebesar 202,655 7
3. Selisih rata-rata daya adalah sebesar 55% lebih tinggi daya hasil simulasi.
Namun, hal tersebut tidak terjadi dalam keadaan sebenarnya. Perbandingan antara jumlah udara yang terisap yang sebenarnya terhadap jumlah udara yang terisap dalam keadaan ideal, dinamai “efisiensi volumetric”, n v . Besarnya efisiensi volumetrik tergantung pada kondisi isap yang ditetapkan. Misalnya, jika dipakai saringan udara pada saluran masuk n v yang diperoleh dengan menetapkan sebelum saringan. Campuran antara udara dan bahan bakar biasa dinamai “campuran”, sedangkan perbandingan berat udara dan bahan bakar dalam campuran itu dinamai “perbandingan campuran” atau “perbandingan udara-bahan bakar”. Maka perbandingan dari berat minimum udara terhadap berat bahan bakar dinamai “perbandingan campuran stoikiometrik” atau “perbandingan campuran teoritis” atau “perbandingan campuran sempurna kimia”. Sedangkan perbandingan campuran stoikiometrik dinamai “factor kelebihan udara” atau “perbandingan kelebihan udara” λ. Jika λ bertambah kecil, maka hal ini berarti bahwa bahan bakar yang dipakai terlalu banyak, atau kekurangan udara. (Burghardt dan Kingsley, 1983). Sebenarnya bahan bakar yang dihabiskan baik secara simulasi dan eksperimen hamper sama pada setiap putarannya, akan tetapi daya yang diproduksi berbeda sehingga sfoc eksperimen lebih besar daripada sfoc simulasi
Selisih rata-rata torsi adalah sebesar 54,9% lebih tinggi torsi hasil simulasi. Selisih sfoc pada NCR (2539 rpm) adalah sebesar 202,655 g/kWh lebih kecil sfoc yang didapat dari simulasi. Selisih rata-rata bmep adalah sebesar 22683,435 N/m2 lebih besar eksperimen.
DAFTAR PUSTAKA 1. Aaron, D.1987. Diesel Engine reference Book. 2. Alamu O,J, Adeleke Ezra, dan Adekunle,N, 2009. Power and Torque Characteristics of Diesel Engine Fuelled by Palm-Kernel 3. Arismunandar, Koici T. 1993. Motor Diesel Putaran Tinggi. Jakarta: Pradnya Paramita. 4. Bambang. P, 1989. Operasi dan Pemeliharaan Mesin Diesel. 5. Burghardt dan Kingsley, George D. 1983. Marine Diesels. 6. Karyanto, E. 1980. Panduan Reparasi Kapal Mesin Diesel. 7. Semin, Abu Bakar Rosli., dan Rahim Ismail Abdul., 2008. Investigation of Diesel Engine Performance Based on Simulation.
KESIMPULAN 1. Performa diesel engine yang didapat dengan menggunakan metode eksperimen adalah sebagai berikut daya tertinggi sebesar 2,82528 kW pada putaran 2633 rpm; torsi tertinggi sebesar 10,25185 pada putaran 2633 rpm; sfoc paling rendah 473,3534 g/kWh pada putaran 2539 rpm; dan bmep tertinggi sebesar 569224,57 pada putaran 2633. 2. Performa diesel engine yang didapat dengan menggunakan simulasi adalah sebagai berikut daya tertinggi 3,493kW pada putaran 2633 rpm; torsi puncak 12,782 pada putaran 2382 rpm; sfoc paling rendah sebesar 268,948 g/kWh pada putaran 2382 rpm; dan bmep tertinggi sebesar 454497 pada putaran 2382 rpm. 8
