Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 1

APLIKASI BAHAN BAKAR GAS PADA MOTOR DIESEL DAN EFFEKNYA TERHADAP TEGANGAN PISTON

Semin, Aguk Zuhdi MF, Hendra Septiawan

Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya

E-mail: semin@its.ac.id

Abstrak

Konversi mesin diesel menjadi mesin berbahan bakar gas mempunyai pengaruh terhadap proses pembakaran. Untuk dapat mengoptimalkan proses pembakaran pada bahan bakar gas harus mempunyai ruang bakar yang lebih besar. Pada

penulisan ini dilakukan analisa tegangan pada piston original dan yang telah dimodifikasi. Tahapan pertama adalah pengumpulan data mesin, seperti tekanan pembakaran maksimal, dimensi piston, material piston, dan temperature maksimal silinder. Kemudian dilakukan pembuatan model piston pada softwere AutoCAD. Model yang sudah jadi dianalisa

dengan menggunakan Finite Element Method (FEM). Langkah-langkah yang dilakukan untuk anlisa FEM yaitu pembentukan mesh, input material properties, boundry condition dan yang terakhir adalah analisa model. Karena ingin mengetahui tegangan piston, maka penganalisaan dilakukan pada kondisi torsi maksimal, dengan Compression Ratio (CR)

yang bervariasi. Dengan adanya variasi CR tekanan maksimal pembakaran dan temperature maksimal pada piston juga akan bervariasi. Dari hasil analisa struktur tegangan terbesar yaitu 339 N/mm

2 di daerah lubang pin piston, sedangkan

temperature terbesar yaitu 969oC di daerah piston head. Pada CR 19 piston dapat menahan beban dari tekanan dan

temperature.

Kata kunci: Bahan bakar gas, finite element method, mesin diesel, rasio kompresi, tegangan piston

1. Pendahuluan

Saat ini, bahan bakar alternatif telah berkembang karena kekhawatiran bahwa cadangan bahan bakar fosil di seluruh dunia yang terbatas dan pada dekade awal abad ini akan habis sama sekali. Selain itu, krisis energi dunia saat ini membuat kenaikan harga bahan bakar fosil. Di sisi lain, bahan bakar fosil memberikan kontribusi pencemaran lingkungan yang besar. Banyak jenis bahan bakar alternatif yang tersedia di dunia. Compressed Natural Gas (CNG) sebagai bahan bakar alternatif menjadi semakin penting. Oleh karena itu maka timbulah ide mengkonversi diesel yang semula berbahan bakar solar menjadi berbahan bakar gas. Dalam proses konversi mesin diesel menjadi mesin bahan bakar gas diperlukan perubahan rasio kompresi pada ruang bakar. Mesin diesel mempunyai ratio kompressi sekitar 20:1, sedangkan pada bahan bakar gas mempunyai rasio kompresi diatas 12:1. Dalam konversi mesin diesel mejadi mesin bahan bakar gas perlu direncanakan rasio kompresi yang tepat agar diperoleh unjuk kerja mesin bahan bakar gas yang tinggi. Perencanaan rasio kompresi dapat dimulai dari nilai 12:1 sampai dengan 20:1, kemudian dipilih nilai rasio kompresi yang mempunyai unjuk kerja yang paling tinggi. Proses investigasi efek rasio kompresi terhadap unjuk kerja mesin dilakukan dengan menggunakan software GT-Power. Paper bertujuan untuk mengetahui tegangan yang terjadi pada piston akibat tekanan yang terjadi akibat pembakaran pada ruang bakar, mengetahui distribusi temperatur yang terjadi pada piston dan engetahui apakah piston dapat menerima beban yang diberikan akibat konversi bahan bakar diesel menjadi CNG tersebut. 2. Metodologi 2.1 Data Mesin

Mesin yang digunakan adalah Yanmar L-100. Pada tahapan ini dilakukan pengumpulan data-data engine seperti tekanan pembakaran maksimal pada ruang bakar, dimensi dan material piston. Untuk mengetahui tekanan pembakaran pada ruang bakar, dilakukan simulasi pada softwere.

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 2

2.2 Material Piston

Piston dibuat dari bahan dural aluminium, juga disebut duraluminum, duraluminium atau dural merupakan merupakan perkembangan baru dari aluminium alloy yang mengalami pengerasan. 2.3 Dimensi Piston

Gambar 1. Dimensi Piston

2.4 Simulasi Performa Mesin

Untuk mendapatkan data tekanan maksimal, temperature maksimal dan data-data yang lain yang dibutuhkan untuk analisa stress meggunakan model FEM (Finite Element Method), maka diperlukan simulasi performa mesin. Data inputan untuk simulasi didapat dari catalog dan hasil penelitian. 2.5 Pembuatan Model Piston Pada Softwere AutoCAD

Data yang didapat dari studi literatur akan digunakan sebagai referensi menggambar model piston pada softwere AutoCAD. File yang diexport yaitu dalam format ”ACIS”. Kemudian akan diexport untuk dilakukan analisa struktur dan thermal. Mesin yang digunakan adalah mesin diesel direct-injection. Model dibuat dengan satuan milimeter (mm).

Gambar 2. Piston yang masih asli

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 3

Gambar 3. Piston yang telah dimodifikasi

2.6 Pembuatan Meshing dan Boundry Condition

Meshing merupakan pembuatan model menjadi beberapa elemen, agar tiap bagian dapat dianalisa. Meshing dapat dilakukan secara manual ataupun otomatis, tergantung kebutuhan. Meshing menggunakan tipe element tetrahedral dan dilakukan secara otomatis, dengan ratio 0.3. Boundry condition piston dilakukan sesuai dengan tipe analisa yang dilakukan. Jika untuk analisa struktur maka tekanan akan diberikan pada piston head dan pada lubang piston pin akan dicekam. Sedangkan untuk analisa termal boundry condition dilakukan dengan memberikan temperatur dan aplikasi panas pada piston head, konveksi panas pada bagian piston ring dan skirt piston. 2.7 Analisa Model

Setelah pembuatan meshing dan input pembebanan, maka dilakukan analisa model. Pada analisa termal, model dianalisa pada kondisi steady-state. Dimana tekanan tidak berubah menurut waktu atau model dalam keadaan tunak. Untuk analisa termal, model juga dianalisa pada kondisi steady-state. Dimana suhu tidak berubah menurut waktu. Untuk analisa model yang lebih lengkap akan dibahas pada bab tersendiri.

2.8 Collapse Simulation

Jika terjadi collape simulation atau terdapat angka hasil simulasi yang tidak logis, maka diperlukan pembuatan mesh dan pembebanan kembali, namun apabila angka hasil simulasi terlihat logis maka akan dilakukan analisa data. Beberapa hal yang perlu dicek jika terjadi collapse simulation yaitu boundry condition, meshing dan material input, karena data-data tersebut sangat berpengaruh pada saat proses analisa. 2.9 Analisa Data

Analisa data dilakukan pada setiap model piston dengan variasi CR yang berbeda-beda, yaitu mulai dari CR 20.28, 19, 17, 15, 13 dan 10. Dari berbagai variasi CR terebut maka tegangan yang terjadi akibat tekanan maupun thermal akan berbeda. 3. Hasil dan Analisa

3.1 Simulasi Performa Mesin

Hasil dari simulasi dan analisa struktur piston mesin ditampilkan pada tabel 1 dan 2 sebagai berikut:

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 4

Tabel 1. Data hasil simulasi untuk analisa struktur pada piston

CR Tekanan Maksimal (bar) Tekanan Maksimal (N/mm2)

20.28 86.64 8.664

19 81.21 8.121

17 72.83 7.283

15 64.51 6.451

13 56.32 5.632

10 44.13 4.413

Tabel 2. Data simulasi untuk analisa thermal pada piston

CR Temp. Head (OC) Temp. max (

OC) Heat Transfer (W/mm

2)

20.28 317.85 1750 201

19 317.85 1750 193

17 317.85 1790 180

15 317.85 1820 167

13 317.85 1850 154

10 317.85 1910 132

3.2 Meshing dan Boundry Condition

Hasil dari meshing dengan boundary condition pada piston adalah sebagai berikut:.

Tabel 3. Tipikal unit untuk analisa struktur piston

Quantity SI SI (mm) SI US Unit (ft) US Unit (inch)

Length m mm m ft ft

Force N N kN lbf lbf

Mass kg Tonne (103kg) tonne slug lbf s

2/in

Time s s s slug s

Stress Pa(N/m2) MPa(N/mm

2) Kpa lbf/ft

2 psi (lbf/ft

2)

Energy J mJ (10-3

J) KJ ft.lbf in.lbf

Density kg/m3 tonne/mm

3 tonne/m

3 slug/ft

3 lbf s

2/in

4

Tabel 4. Tipikal unit untuk thermal material proprerties

Quantity SI US Unit

Thermal Conductivity W/m-oC Btu/hr-ft-

oF

Specific Heat J/kg-oC Btu/lbm-

oF

Density kg/m3 lbm/ft

3

Dynamic Viscosity kg/m-sec lbm/ft-hr

Enthalpy J/kg Btu/lbm

Latent Heat J/kg Btu/lbm

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 5

Tabel 5. Tipikal unit untuk thermal loads dan boundry condition

Quantity SI Unit US Unit

Temperature oC

oK

oF

oR

Normal Heat Flux W/m2 Btu/hr-ft

2

Directional Heat Flux W/m2 Btu/hr-ft

2

Nodal Source W Btu/hr

Volumetric Generation W/m3 Btu/hr-ft

3

Convection Heat Flow W/m2 Btu/hr-ft

2

Advection Heat Flow W Btu/hr

Convection Heat Transfer Coefficient W/m2-oC Btu/hr-ft

2-oF

Radiation to Space W/m2 Btu/hr-ft

2

Radiation Enclosure W/m2 Btu/hr-ft

2

3.3 Analisa Data

Analisa data dilakukan pada setiap model piston dengan variasi CR yang berbeda-beda, yaitu mulai dari CR 20.28, 19, 17, 15, 13 dan 10. Dari berbagai variasi CR terebut maka tegangan yang terjadi akibat tekanan maupun thermal akan berbeda seperti yang tersaji pada tabel 6 dan 7..

Tabel 6. Data hasil analisa struktur

CR Tekanan

Maksimal (bar) Tekanan Maksimal

(N/mm2)

Stress (N/mm2)

Tegangan ijin (N/mm

2)

Max. Min.

20.28 86.64 8.664 339 0.0539 420.8

19 81.21 8.121 308 0.0656 420.8

17 72.83 7.283 304 0.0624 420.8

15 64.51 6.451 266 0.065 420.8

13 56.32 5.632 221 0.0564 420.8

10 44.13 4.413 171 0.0445 420.8

Gambar 4. Meshing dan Boundry Condition untuk Analisa Struktur

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 6

Dari data diatas, maka dapat diketahui bahwa pada CR 13 dan 10 tekanan yang terjadi pada cylinder masih dapat diterima oleh piston. Karena tegangan yang terjadi masih lebih kecil dari tegangan ijin. Dengan demikian modifikasi piston yang dapat diaplikasikan pada mesin diesel yang dikonversi menjadi mesin berbahan bakar gas yaitu pada compression ratio 13 dan 10.

Tabel 7. Data hasil analisa thermal

CR Distr. Therm.(

oC) Heat Flux (W/mm

2)

max min max min

20.28 1750 1740 1.45 2.06 x10-4

19 1750 1740 1.47 2.15 x10-4

17 1790 1780 1.49 2.45 x10-4

15 1820 1810 1.46 6.96 x10-7

13 1850 1840 1.48 1.17 x10-5

10 1910 1900 1.51 6.07 x10-6

Gambar 5. Meshing dan Boundry Condition untuk Analisa Termal Dari data diatas dapat diketahui bahwa distribusi temperature terbesar yaitu pada CR 10 dengan temperature maksimal 969

oC. hal itu terjadi karena bahan bakar yang disemprotkan lebih banyak

dibandingkan dengan CR yang lebih kecil. 4. Kesimpulan

Dari hasil analisa tegangan yang terjadi akibat tekanan masih dapat ditahan oleh piston. Karena tegangan yang terjadi pada piston terbesar yaitu 339 N/mm

2, sedangkan tegangan ijin yaitu 420.8

N/mm2. Tegangan terbesar terjadi pada daerah lubang piston pin, karena piston pin tersebut

menerima beban tekan dari ruang bakar mesin. Distribusi temperature terbesar terjadi pada CR 10 yaitu dengan temperature maksimal 1910

oC. Karena semakin besar CR, maka semakin banyak

gas pembakaran dan kebutuhan bahan bakar pun akan lebih banyak. Semakin kecil CR, maka distribusi temperature akan lebih kecil. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kami ucapkan kepada Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat Institut Teknologi Sepuluh Nopember yang telah mendanai penelitian ini sehingga dapat selesai dengan baik.

Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012 X - 7

Daftar Pustaka Britto M,A.2005, MSc Patran handbook, MSC.Software Corporation. Ganesan, V., 1999. Internal Combustion Engines. 2nd Edn., Tata McGraw-Hill, New Delhi,

India, pp: 110-255 Gudimetal P., and Gopinath C.V., 2009. Finite Element Analysis of Reverse Engineered Internal

Combustion Engine Piston, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok Press, Bangkok, Thailand.

Holman, J.P., 1986. Perpindahan Panas, 6th Edition, Erlangga, Jakarta.

Morel, T., Harman. S.T., and Keribar. R., 1990. Detailed Analysis of Heat Flow Pattern in Piston. Poulton, M.L., 1994. Alternative Fuels for RoadVehicles. 1st Edn., Comp. Mechanics

Publications, UK., pp: 10-110. Sera, M.A., R.A. Bakar and S.K. Leong, 2003.CNG engine performance improvement

strategy through advanced intake system. SAE Technical Paper 2003-01-1937. http://www.sae.org/technical/papers/2003-01-1937

Shasby, B.M., 2004. Alternative Fuels: Incompletely Addressing the Problems of the Automobile, Virginia Polytechnic Institute and State University, USA. http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd- 05252004-152456/

Singer. F.L., and Pytel. A., 1980. Ilmu Kekuatan Bahan, 3rd

Edition, Jakarta : Erlangga. Surdia, Tata & Saito, Shinroku. 1992. Pengetahuan Bahan Teknik. (edisi kedua). Jakarta: Pradnya

Paramita. Taylor. D.A., 1990. Introduction to Marine Engineering. UK: Elsevier.