1 PENGARUH PERUBAHAN COMPRESSION RATIO MOTOR D

PENGARUH PERUBAHAN COMPRESSION RATIO MOTOR DIESEL MENGGUNAKAN
BAHAN BAKAR GAS DAN EFFEKNYA TERHADAP POWER DAN DAYA
Semin, Dayang, Aguk Zuhdi MF, I Made Ariana, Amiadji
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya
E-mail: [email protected]
Abstrak
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 sampai 26: 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. Pada
awalnya dibuat model diesel engine dengan bahan bakar solar lalu dirunning, jika hasil running sudah sesuai dengan spek
mesin aslinya baru dilakukan perubahan bahan bakarnya setelah itu model diruning pada compression ratio yang bervariasi,
dari hasil running akan terlihat pada compression ratio berapa ia memiliki daya yang optimum.
Kata kunci: Bahan bakar gas, compression ratio , daya, mesin diesel, power
1. Pendahuluan
Gas alam terkompresi (CNG) telah muncul sebagai solusi untuk masalah harga minyak yang tinggi
dan emisi gas buang tinggi. Tersedia di banyak negara dari sumber-sumber asli, gas adalah bahan
bakar murah dan bersih. Di beberapa negara, harga CNG sepertiga solar.
Bensin dan solar akan menjadi langka dan mahal. Teknologi bahan bakar alternatif, ketersediaan
dan penggunaanya akan menjadi lebih umum dalam dekade mendatang untuk mesin pembakaran
dalam. 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.
2. Tinjauan Pustaka
2.1 Mesin diesel
Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi, sebuah mesin pemicu
kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh
alat berenergi lain (seperti busi). Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang
menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat
digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012
X- 1
2.2 Injeksi BBG
Dalam mesin BBG, bahan bakar diinjeksikan oleh sistem injeksi bahan bakar gas melalui katup
intake port trans ke dalam silinder mesin menjelang akhir langkah kompresi, tepat sebelum
memulai pembakaran yang diinginkan. Bahan bakar gas, biasanya disuntikkan pada kecepatan
tinggi sebagai satu atau lebih jet melalui lubang kecil atau nozel di ujung injector. Bahan bakar gas
yang bercampur dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi udara di silinder. Sejak, suhu udara dan
tekanan pada titik penyalaan bahan bakar gas itu, percikan pengapian dari bagian dari bahan
bakar yang sudah dicampur dan setelah udara masa penundaan dari beberapa derajat sudut
engkol. Meningkat tekanan silinder sebagai pembakaran dari campuran bahan bakar gas-udara
terjadi. Masalah utama dalam desain injeksi BBG ruang bakar mesin mencapai cukup cepat
pencampuran antara bahan bakar gas injeksi dan udara dalam silinder dalam interval sudut engkol
dekat tepat untuk TDC.
2.3 Rasio Kompresi
Rasio kopresi dapat dihitung dengan rumus dibawah ini:
Dimana
= silinder bore (diameter)
:
= piston stroke (Langkah Panjang)
= clearance volume. Ini adalah volume ruang bakar (termasuk paking cilinder head). adalah
volume minimal ruang pada akhir langkah kompresi, yaitu ketika piston mencapai top dead center
(TDC). Karena bentuk kompleks ruang ini, biasanya diukur secara langsung.
Rasio kompresi (CR) adalah rasio dari volume total ruang pembakaran saat piston berada di pusat
mati bawah (BDC) untuk volume total ruang pembakaran saat piston di pusat mati atas (TDC).
Secara teoritis meningkatkan rasio kompresi (CR) dari mesin dapat meningkatkan efisiensi
keseluruhan mesin dengan memproduksi lebih banyak output daya. Memang, untuk meningkatkan
CR, ada banyak aspek mengenai operasi dari mesin yang harus dipertimbangkan untuk
memeriksa kompatibilitas bagian. Misalnya, durasi yang lebih singkat cam dapat meningkatkan
efektivitas meningkatkan CR. Selama langkah kompresi, udara lebih diizinkan menjebak atas
piston sebelum penutupan katup inlet. Selain itu, lebih rendah durasi cam pembuka; pendek
adalah jarak bagi piston untuk bergerak ke atas ke lubang pada langkah kompresi Selain durasi
cam, cam itu Lobe Angle Tengah (LCA) dan kemajuan cam penting untuk meningkatkan CR.
Sebuah LCA yang lebih luas (angka semakin besar) mempromosikan peningkatan yang lebih
besar di CR dari LCA ketat (angka semakin kecil) (kedok 2003, hal.4). Selain itu, mesin dengan
cam yang lebih maju, sekitar 2-4 derajat muka (kedok 2003, hal.4) mempromosikan penutupan
asupan lebih cepat. Oleh karena itu, output tenaga mesin akan beless sensitif terhadap penutupan
katup dan kombinasi waktu kompresi. Untuk setiap rasio meningkat, tekanan silinder puncak akan
meningkat dengan sekitar 100-110 psi (kedok 2003, h.5). Akibatnya, akan ada tegangan termal
pada bagian-bagian komponen mesin seperti gasket kepala, menghubungkan batang, engkol dan
blok. Biasanya, tekanan puncak akan terjadi sebelumnya dalam kuasa stroke dan tingkat
kerusakan tekanan silinder jauh lebih cepat karena tingkat lebih tinggi dari volume meningkat pada
ruang pembakaran. Dengan keterbatasan ini, situasi seperti mengetuk akan terjadi dan metode
pencegahan untuk menemukan bahan bakar yang memiliki nilai oktan tinggi sekitar 115 atau lebih
tinggi desain yang lebih baik pada piston lubang atau ruang pembakaran untuk meningkatkan
tindakan berputar dan waktu injeksi. Karena nilai oktan lebih tinggi meningkatkan suhu, penting
untuk menjaga sistem induksi sekeren mungkin untuk menghindari mengetuk apapun. Selain itu,
piston ke kepala mendarat di TMA harus dioptimalkan untuk meningkatkan aksi berputar-putar.
Celah-celah dan sudut tajam dalam ruang pembakaran diminimalkan untuk menetapkan izin
memuaskan / squish ketat. Hal ini mendorong baik kualitas pencampuran bahan bakar dan udara
yang meningkatkan efisiensi dan proses pembakaran lebih cepat. Untuk menurunkan tekanan
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012
X- 2
puncak dan pelebaran batas ketukan, mesin kompresi tinggi memerlukan pengapian sistem kinerja
tinggi dengan modus berlebihan kotor dan memajukan cam yang dikurangi dengan 2-3 derajat.
Terakhir, mencari mesin kompresi tinggi untuk menghasilkan output daya maksimum melalui
efektivitas proses pembakaran berarti bahwa mesin harus beroperasi pada rpm lebih tinggi juga.
Oleh karena itu, ruang pembakaran dipadatkan dengan memperpanjang stroke piston, dimodifikasi
mahkota piston untuk menjadi datar dan membawa katup intake dan exhaust ke posisi yang lebih
vertikal sekitar 18 derajat Dapat disimpulkan bahwa untuk mencapai daya output tinggi itu
bukanlah tugas yang mudah. Jika desain kepala piston atau geometri dari ruang pembakaran tidak
dilakukan dengan baik, hal itu akan menyebabkan kegagalan operasi mesin. Oleh karena itu,
bijaksana untuk menjaga efisiensi dan kinerja mesin diesel asli di mesin CNG-diesel dengan
kemungkinan mengurangi CR untuk mencegah ketukan. Selain rasio kompresi, seperti yang
disebutkan sebelumnya komposisi gas alam merupakan kriteria penting untuk konversi mesin.
Oleh karena itu, jenis mesin yang digunakan untuk konversi tergantung pada variasi komposisi
bahan bakar.
2.4 Konversi Mesin Diesel menjadi Mesin Bahan Bakar Gas.
Semua mesin diesel dapat dikonversikan menjadi gas alam. Tingkat daya dari mesin
setelah konversi tergantung pada berbagai masalah, seperti kualitas tingkat gas alam, tenaga dari
mesin diesel asli, tingkat emisi diperlukan dll Sebuah mesin benar dikonversi dapat membuat
sebagai banyak daya menggunakan gas alam seperti pada diesel. Mesin diesel dikonversi menjadi
gas alam umumnya memerlukan komponen tambahan serta beberapa perubahan mekanik untuk
mesin. Pada dasarnya mesin diesel mengalami rebuilt lengkap dalam proses berubah dari mesin
diesel ke mesin gas.
3. Metodologi
Metodologi yang dipakai untuk penyelesaian penelitian ini secara lengkap dapat dilihat pada
gambar dibawah dengan tahapan-tahapan seperti berikut :
3.1 Studi Literatur
Studi literatur dilakukan dengan pengumpulan referensi-referensi yang berhubungan dengan
materi yang dibahas, dalam hal ini pengaruh perubahan ukuran dimeter dan jumlah lubang pada
injektor terhadap unjuk kerja pada direct injection diesel engine. Adapun literature tersebut
didpatakan dari buku, internet, dan paper.
3.2 Pengambilan Data
Untuk melakukan analisa unjuk perja dari mesin, maka dilakukan pengumpulan data dengan
pembukaan engine dan melakukan pengukuran terhadap engine,serta parameter-parameter yang
dibutuhkan dalam software GT-POWER
3.3 Pemodelan
Pada pemodelan ini yang dilakukan adalah memasukan parameter-parameter yang dibutuhkan
dalam menjalan software GT-POWER. Sehingga data output dari software inilah yang nantinya
dianalisa
3.4 Validasi Pemodelan
Pada tahapan validasi ini merupakan kesesuaian antara data hasil pemodelan dengan data mesin
standarnya. Jika hasil dari pemodelan belum sesuai dengan mesin standartnya, maka dilakukan
pemodelan ulang dengan melakukan analisa terhadap data-data inputnya.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012
X- 3
3.5 Pengujian
Apabila didapatkan pemodelan sesuai dengan karakteristik engine yang sesungguhnya, maka
dilakukan pengujian dengan merubah compression ratio pada data engine di engine geometri.
3.6 Analisa Data
kita mendapatkan data-data dari simulasi software, baru kita melakukan analisa untuk menajwab
hal-hal yang berkaitan dengan penelitihan, dalam hal ini pengaruh perubahan bahan bakar dan
compression ratio yang tepat sehingga nantinya akan menghasilkan unjuk kerja terbaik.
4. Hasil dan Analisa
Tahapan yang pertamakali dilakukan yaitu membuat pemodelan yang tepat dengan mengunakan
software yang sesuai untuk menganalisa. Menurut refrensi, software yang yang dapat digunakan
adalah GT-POWER untuk menganalisa engine performance pada diesel engine. Data yang
digunakan dalam pemodelan dan simulasi berupa speck mesin.
4.1 Spesifikasi mesin
Mesin yang digunakan pada pemodelan adalah mesin diesel sebagai berikut :
Tabel 1. Spesifikasi mesin
ENGINE PARAMETERS
Bore
Stroke
Displacement
Number of cylinder
Connecting rod length
Piston pin ofset
VALUE
86 mm
70 mm
407 cc
1
118,1 mm
1 mm
4.2 Analisa Pemodelan
Setelah model HSD engine dibuat lalu dirubah bahan bakarnya, setelah bahan bakarnya dirubah
menjadi bahan bakar natural gas baru rasio kompresinya divariasikan. Variasi rasio kompresi
adalah antara CR 10 sampai CR 22,2 dengan kisaran diatas CR tertinggi gasoline engine dan
dibawah CR tertingi HSD engine. Setelah pemodelan dengan variasi CR antara 11 sampai 22,2
lalu dilakukan running dan melihat hasilnya pada GT-POST, pada GT-POST dapat dilihat engine
performance dan data-data yang akan kita analisa. Pada GT-POST terdapat parameter yang dapat
dianalisa. Dari data hasil running dapat dianalisa hubungannya dengan inputan yang dimasukan
sebelum raning, misalnya data CR.
Dari hasil running GT-POST yang rasio kopmresi berfariasi didapat grafik daya mesin dan dapat
dialakuan analisa dari pengaruh rasio kompresio terhadap daya mesin pada putaran 500 rpm
sampai 4000 rpm.
Dari grafik pemvariasian rasio kompresi dan kecepetan mesin dapat dilihat bahwa power mesin
semakin tinggi jika rpm nya dinaikkan hingga rpn 3500, setelah 3500 rpm maka power akan turun
karena torsinya turun. Jika dilihat dari rasio kompresi 11 sampai 16 semakin tinggi CR maka power
akan semakin meninggkat namun setelah CR 16 maka daya rata rata yang dihasilkan akan
semakin menurun, namun daya optimum masih meninggkat hingga CR 19, setelah CR 19 maka
daya optimumnya akan menurun karena torsi menurun, daya menurun karena adanya indikasi
knoking. Jaka suatu mesin akan diopreasikan pada daya yang bervariasi seperti pada kendaraan
maka cocok menggunakan CR 16 Jika suatu mesin akan diperasikan pada daya optimum dan
beban tetap seperti pada generator maka cocok menggunakan CR 19.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012
X- 4
Gambar 1. Analisa efek perubahan rasio kompresi mesin diesel menjadi mesin BBG
5. Kesimpulan
Rasio kompresi yang cocok untuk mesin HSD yang dikonversi menjadi mesin bahan bakar gas
alam adalah CR 16. Mesin CNG kompresi rasionya masih dapat dinaikan hingga CR 19, Namun
jika CR diatas 16 dan kurang dari atau sama dengan 19 maka daya pada RPM rendah dayanya
akan kecil, namun tinggi pada tinggi pada rpm tinggi.
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.
Daftar Pustaka
Boij, Johan 2008, Engines Types, Frankfurt Konig Johan, Cylinder-Pressure Based Injector
Calibration for Diesel Engine, Stockholm, Sweden April 2008.
rd
Bosch G, Robert,2004, Diesel-Engine Management, 3 Edition, United Kingdom.
Li, LIM Pei, 2004, The Effect of Compression Ratio on the CNG-Diesel Engine, University of
Souther Queesland,Queesland.
Semin, Ismail, A.R. and T.F. Nugroho, 2010. Experimental and computational of engine cylinder
pressure investigation on the port injection dedicated CNG engine development. J. Applied
Sciences, 10: 107-115.
Semin., Ismail, A.R., Bakar, R.A, 2008a. ”Comparative performance of direct injection diesel
engines fueled using compressed natural gas and diesel fuel based on GT-POWER
simulation”, American Journal of Applied Sciences 5 (5), pp. 540- 547.
Semin., Ismail, A.R., Bakar, R.A, 2008b. ”Investigation of CNG engine intake port gas flow
temperature based on steady-state and transient simulation”, European Journal of
ScientificResearch 22 (3), pp. 361-372
Semin., Bakar, R.A., Ismail, A.R, 2008c. ”Computational visualization and simulation of diesel
engines valve lift performance using CFD”, American Journal of Applied Sciences 5 (5),
pp.532-539.
Seminar Nasional Teori dan Aplikasi Teknologi Kelautan, 5 Desember 2012
X- 5