program studi diii teknik mesin fakultas teknologi...

KAJIAN NUMERIK PENGARUH VARIASI

IGNITION TIMING DAN AFR TERHADAP

PERFORMA UNJUK KERJA PADA ENGINE

MOTOR TEMPEL EMPAT LANGKAH SATU

SILINDER YAMAHA F2.5 MENGGUNAKAN

BAHAN BAKAR BENSIN DAN LPG

Dosen Pembimbing :

Hendro Nurhadi, Dipl.-Ing., Ph.D.

Oleh:

Helmi Rizki Ardiliansyah (2111 030 051)

PROGRAM STUDI DIII TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2014

1

LATAR BELAKANG

Sumber: Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi 2

Konsumsi Bahan Bakar

Cadangan Minyak Bumi

Persentase

Penggunaan

Minyak Bumi

Motor Tempel

Sumber: Perusahaan Gas Negara 3

Jumlah Pengguna Motor Tempel

4

Bagaimana performa motor tempel ketika menggunakan bahan bakar bensin dan menggunakan bahan bakar LPG

Bagaimana perbandingan unjuk kerja mesin motor tempel menggunakan bahan bakar bensin dibandingkan dengan menggunakan bahan bakar LPG.

Rumusan Masalah

5

Permasalahan yang timbul dalam penelitian ini adalah.

Batasan Masalah Metode simulasi pada Lotus Engine Simulation (LES) disesuaikan dengan standar SAE J 1349

Pengujian dilakukan pada motor tempel bensin 4 langkah 1 silinder merk Yamaha F2.5

Kondisi simulasi unjuk kerja pada Lotus Engine Simulation (LES) adalah wide open throttle tanpa pembebanan

Bahan bakar bensin yang digunakan adalah bensin yang diproduksi PERTAMINA

Bahan bakar gas LPG yang digunakan adalah gas LPG 3 kg yang diproduksi PERTAMINA.

Tidak membahas fluida yang mengalir melalui propeller.

Tidak membahas material dari motor tempel

Kondisi temperatur udara sekitar dianggap ideal

Data diambil pada minimum 250 rpm

Tidak melakukan analisa pelumasan

Tidak membahas reaksi kimia pada penggunaan bahan bakar solar dan gas LPG

6

Untuk mengetahui unjuk kerja motor tempel berbahan bakar bensin dan berbahan bakar LPG

Mengetahui perbandingan unjuk kerja mesin motor tempel antara menggunakan bahan bakar bensin dengan menggunakan LPG.

Tujuan

Manfaat

Hasil akhir dari penelitian ini diharapkan menjadi sumber informasi dan ilmu

pengetahuan bagi masyarakat umum tentang kelebihan dan kekurangan dari

penggunaan bahan bakar bensin dan gas LPG saat digunakan sebagai bahan

bakar motor tempel dilihat dari performa unjuk kerjanya. 7

Penelitian Terdahulu

8

Bhisma Putra

Pratama pada tahun

2012 melakukan

kajian eksperimental

dengan

membandingkan

parameter unjuk

kerja dari mesin

bensin stasioner

generator Vorex V

1500 100cc

menggunakan

bahan bakar LPG

dan biogas dengan

metode uji konstan

speed

Dari hasil eksperimental tersebut disimpulkan bahwa :

1. Pada mesin genset empat langkah bisa beroperasi dengan baik ketika

menggunakan bahan bakar biogas dengan bantuan penambahan mixer

venturi sebagai mekanisme pemasukan dan pencampuran antara udara

dengan bahan bakar. Dimana karburator tetap terpasang dengan baik

untuk mempermudah starting dengan bensin.

2. Setelah melakukan pengukuran dan analisa perbandingan parameter unjuk

kerja, pada konstan speed 2900 rpm pada beban ke 7 nilai effisiensi

dengan menggunakan bahan bakar gas LPG adalah 2,15 % sedangkan

dengan mengunakan bahan bakar Biogas adalah 3,01%.

9

Diagram Alir Tugas Akhir

10

Metode Penelitian Mulai

Didapat

spesifikasi motor

tempel

Simulasi kinerja engine pada Lotus Engine Simulation

Apakah

Konvergen?

Tidak

Validasi Hasil

Simulasi

Data Hasil

Simulasi

Perhitungan

Manual

Ok?Tidak

Ya

Ya

Grafik dan

Data

A

Observasi lapangan

Studi literatur

Rumusan

Masalah

A

Kesimpulan dan

Saran

Laporan

Akhir

Selesai

Perbandingan Unjuk Kerja Motot Tempel Berbahan Bakar Bensin

dengan LPG

Grafik dan

Data

11

Spesifikasi Engine Yamaha F2.5

• Tipe engine : 4 langkah, 1

silinder, OHV, water-cooled

• Bore x Stroke : 54 x 31,5 mm

• Volume langkah: 72 cc

• Perbandingan kompresi : 9 : 1

• Daya maksimum: 1,8 kW/5500 rpm

• Pemasukan Bahan Bakar :

Karburator

Diagram Alir Pemodelan dengan

Lotus Engine Simulation

A

Mendefinisikan parameter input fuel pada Lotus Engine

Simulation (LES)

Mendefinisikan “file description” yaitu main tittle,

subtittle dan test no

Mendefinisikan parameter pada steady state testing

Mengecek dan mengubah (bila perlu) test data summary

input yang telah didefinisikan yaitu heat phase, heat

period, fuelling, boundary condition, friction, solution,

plotting dan actuator

Mencari solusi dari problem yang telah didefinisikan

dengan fitur “solve control”

Grafik dan Data

Selesai

Mendefinisikan parameter input utama cyilinder pada

Lotus Engine Simulation (LES)

B

Ya

Tidak

12

Mulai

- Parameter input LES hasil pengukuran

dan perhitungan

- Standar pengujian SAE J 1349

- Variasi parameter :

AFR = 12.5 (1); 14,7 (2); 15,5 (3); 18.5

(4)

Ignition timing = -30 (5); -25 (6); -35 (7)

Memasukkan komponen inlet dan outlet ke dalam

main window Lotus Engine Simulation (LES)

Memasukkan komponen intake dan exhaust port

ke dalam main window Lotus Engine Simulation

(LES)

Memasukkan komponen intake dan exhaust valve

ke dalam main window Lotus Engine Simulation

(LES)

Memasukkan komponen utama cyilinder ke dalam main

window Lotus Engine Simulation (LES)

Mendefinisikan parameter intake dan exhaust

port pada Lotus Engine Simulation (LES)

Mendefinisikan parameter intake dan exhaust

valve pada Lotus Engine Simulation (LES)

A B

Diagram Alir Validasi Hasil

Simulasi

Mulai

Grafik dan Data

Perhitungan BSFC

Perhitungan BEMP

Perhitungan Brake Torque

Perhitungan Brake Power

Perhitungan Efisiensi

Selesai

TidakSesuai Hasil Simulasi

Ya

13

Analisa dan Pembahasan

14

Sistem Instalasi Simulasi

Parameter Utama Simulasi

15

Parameter Utama

No.

Simulasi

Nama

Simulasi

Ignition Timing

(Degree BTDC) AFR

1 Gasoline

STD 30 14,7

2 LPG STD 30 15,5

3

LPG 1

25 15.5

4 LPG 2 25 12.5

5 LPG 3 25 18.5

6 LPG 4 35 15.5

7 LPG 5 35 12.5

8 LPG 6 35 18.5

Data Hasil Simulasi Brake Torque Menggunakan LES

16

RP

M

Gasoline

STD LPG STD LPG 1 LPG 2 LPG 3 LPG 4 LPG 5 LPG 6

250 3.36 3.42 3.56 3.42 3.1 3.24 3.11 2.83

500 3.84 3.81 4 3.82 3.46 3.58 3.42 3.13

750 3.97 3.93 4.14 3.95 3.57 3.68 3.51 3.21

1000 4.03 3.97 4.2 3.99 3.6 3.72 3.54 3.23

1250 4.04 3.98 4.21 4 3.59 3.72 3.53 3.23

1500 4.02 3.97 4.2 3.99 3.57 3.7 3.51 3.21

1750 3.99 3.94 4.17 3.96 3.54 3.67 3.48 3.18

2000 3.92 3.86 4.1 3.89 3.5 3.59 3.41 3.11

2250 3.86 3.81 4.05 3.83 3.39 3.54 3.35 3.05

2500 3.8 3.75 3.99 3.78 3.35 3.48 3.3 3

2750 3.77 3.71 3.95 3.74 3.3 3.44 3.26 2.96

3000 3.71 3.66 3.9 3.68 3.22 3.39 3.21 2.91

3250 3.66 3.62 3.85 3.64 3.19 3.35 3.17 2.86

3500 3.61 3.55 3.79 3.57 3.13 3.29 3.09 2.81

3750 3.51 3.45 3.69 3.48 3.05 3.19 3 2.73

4000 3.46 3.4 3.64 3.45 3.01 3.14 2.97 2.68

4250 3.44 3.39 3.63 3.43 2.97 3.12 2.95 2.66

4500 3.43 3.41 3.65 3.45 2.98 3.14 2.97 2.65

4750 3.43 3.41 3.65 3.44 2.95 3.14 2.96 2.64

5000 3.38 3.35 3.58 3.36 2.86 3.08 2.88 2.59

5250 3.27 3.23 3.47 3.23 2.74 2.97 2.76 2.49

5500 3.12 3.08 3.30 3.08 2.59 2.82 2.63 2.36

5750 3.01 2.96 3.18 2.96 2.49 2.71 2.52 2.26

• Brake Torque

17

Penggantian gasoline dengan

LPG pada kondisi operasional

standar gasoline menghasilkan

rata - rata penurunan brake

torque sebesar -1,17 %

sedangkan brake torque terbaik

untuk LPG terjadi pada LPG 1

dengan rata - rata kenaikan

+4,86 %.

Terjadi peningkatan

4,86 % terhadap

LPG 1

Brake Power

Berdasarkan referensi Buku Panduan Yamaha F2.5 yang dikeluarkan resmi

oleh Yamaha, brake power maksimum saat engine menggunakan bahan

bakar bensin terjadi pada putaran 5500 RPM dengan harga sebesar 1,8 kW

/ 2,41 HP yang ditunjukkan oleh titik berwarna biru pada gambar di atas.

Hasil simulasi dengan LES menunjukkan brake power untuk Gasoline STD

pada putaran 5500 RPM dengan harga sebesar 1,79 kW (selisih error 0,55

%).

18

Terjadi peningkatan

5,06 % terhadap

LPG 1

Validasi

No

rpm

(rev/min)

Brake Power

(kW) 1 250 0,088

2 2000 0,82

3 5750 1,81 19

Setelah didapatkan data berupa grafik, maka

dilakukan perhitungan pada hasil simulasi khusus

pada gasoline STD menggunakan rumus empiris

Contoh perhitungan pada 5750 RPM :

𝑃 = 2𝜋𝑁𝑇

Dimana : N = 5750 RPM

T = 3,01 Nm

Dilakukan perhitungan sebagai berikut :

𝑃 = 2𝜋𝑁𝑇

= 2𝜋 × 5750 𝑟𝑒𝑣

𝑚𝑖𝑛× 3,01 𝑁𝑚 ×

𝑚𝑖𝑛

60 𝑠𝑒𝑐

= 1812,44 watt

= 1,81 kW

Dari hasil

perhitungan brake

power secara

manual didapatkan

angka yang

mendekati dengan

hasil yang

didapatkan dengan

simulasi. Tingkat

ketidaksesuaian

angka 0 %, sehingga

hasil simulasi dapat

diterima.

• Brake Mean Effctive Pressure

20




rata - rata penurunan brake

torque sebesar -1,17 %

sedangkan brake torque terbaik


dengan rata - rata kenaikan

+4,84 %.

Terjadi peningkatan

4,84 % terhadap

LPG 1

Validasi

Contoh perhitungan untuk 5750 RPM

𝐵𝑀𝐸𝑃 𝑘𝑃𝑎 = 6,28 𝑥 2 𝑥 𝑇

𝑉𝑑

Dimana :

T = 3,01 Nm

Vd = 0,072 dm3


𝐵𝑀𝐸𝑃 = 6,28 𝑥 2 𝑥 𝑇

𝑉𝑑

= 6,28 𝑥 2 3,01 𝑁𝑚

0,072𝑑𝑚3 × 𝑑𝑚3

10−3𝑚3 × 𝑏𝑎𝑟

105

= 5,25 bar

Dari hasil

perhitungan

Brake Mean

Effective

Pressure secara

manual

didapatkan

angka yang

mendekati

dengan hasil

yang didapatkan

dengan simulasi

. Tingkat

ketidaksesuaian

angka berkisar

0,19 %, sehingga

hasil simulasi

dapat diterima

21

Speed (RPM) BMEP (Bar)

250 5,86

2000 6,84

5750 5,25

• Brake Spesific Fuel Consumption (BSFC)

22




rata - rata penurunan BSFC

sebesar -12,63 % sedangkan

brake torque terbaik untuk LPG

terjadi pada LPG 3 dengan rata

- rata penurunan -20,27 %. Terjadi penurunan -

20,27 % terhadap

LPG 3

Validasi

Dari hasil

perhitungan

Brake Spesific

Fuel

Consumption

secara manual

didapatkan

angka yang

mendekati

dengan hasil

yang didapatkan

dengan simulasi.

Tingkat

ketidaksesuaian

angka berkisar

1,68 %, sehingga

hasil simulasi

dapat diterima

23

Contoh perhitungan untuk 5750 RPM

𝑠𝑓𝑐 = ṁ𝑓

𝑃

Dimana : ṁ𝑓 = 0,203 𝑔𝑟

𝑠𝑒𝑐

P = 1,81 kW


𝑠𝑓𝑐 = ṁ𝑓

𝑃

= 0,203

𝑔𝑟𝑠𝑒𝑐

1,81 𝑘𝑊×

3600 𝑠𝑒𝑐

hr

= 403,76 gr/kW.hr Speed (RPM) BSFC (gr/kW.hr)

250 368,18

2000 351,22

5750 403,76

• Vollumetric Efficiency

24




rata - rata penurunan

vollumetric efficiency sebesar -

1,55 % sedangkan terbaik


dengan rata - rata penurunan -

0,61 %.

Terjadi penurunan

-0,61 % terhadap

LPG 6

Validasi

Contoh perhitungan pada 5750 RPM :

ɳ𝑣 = 2 ṁ𝑎

𝜌𝑎,𝑖 𝑥 𝑉𝑑 𝑥 𝑁

𝑔𝑟 𝑠 𝑔𝑟

𝑚3 .𝑚3. 1 𝑠

Dimana :

𝜌𝑎,𝑖 = 1,1906 kg/m3, pada T=24,85 0C

(Sumber : Tabel Robert W Fox, Introduction to

Fluid Mechanic)

ṁ𝑎 = 2,895 gr/s

Vd = 0,72 x 10-4 m3

N = 5750 rpm


ɳ𝑣 = 2 ṁ𝑎

𝜌𝑎,𝑖 𝑥 𝑉𝑑 𝑥 𝑁

= 2 × 2,699

𝑔𝑟𝑠

1190,6𝑔𝑚3

𝑥 0,72 𝑥10−4𝑚3 × 5750 𝑟𝑝𝑚𝑥

60 𝑠

1 𝑚𝑖𝑛𝑥 100%

= 70,47 %

Dari hasil

perhitungan

Volumetric

Efficiency secara

manual

didapatkan

angka yang

mendekati

dengan hasil

yang didapatkan

dengan simulasi.

Tingkat

ketidaksesuaian

angka berkisar

2,76 % sehingga

hasil simulasi

dapat diterima.

25

CAD vs Pressure

26

Fenomena tingginya tekanan in cylinder pada bahan bakar LPG

secara umum memperlihatkan bahwa retreat waktu pengapian

membantu mengoptimalkan energi yang bisa dilepaskan oleh LPG

karena caloric value LPG lebih tinggi daripada gasoline. Ditambah

lagi pengaturanan AFR yang tepat yaitu mendekati stoikiometri

untuk LPG 15,5 semakin meningkatkan efisiensi pembakaran secara

keseluruhan.

Temperatur Combustion Gas vs CAD

27

Penggantian gasoline dengan LPG

pada kondisi operasional standar

gasoline menghasilkan penurunan

temperatur combustion gas maksimum

sebesar -6,9 % sedangkan

temperatur combustion gas maksimum

tertinggi LPG terjadi pada LPG STD

1. Performa engine (brake torque, brake power, BMEP, BSFC)

berbahan bakar bensin (gasoline) didapatkan nilai masing-masing

rata-rata yakni 3,64 Nm, 1,10 kW, 6,33 bar dan 369,30 gr/kW.hr.

Sedangkan untuk LPG standar didapat hasil rata-rata 3,59 Nm,

1,09 kW, 6,26 bar, dan 327,86 gr/kW.hr

2. Performa engine (brake torque, brake power, BMEP dan BSFC)

berbahan bakar LPG secara keseluruhan dapat dimaksimalkan

dengan cara memundurkan waktu pengapian 5o menjadi 25o BTDC

serta pengaturan AFR pada keadaan stoikiometri LPG yaitu 15,5

dengan kenaikan masing - masing sebesar +4,86 %; +5,06 %;

+4,84 % dan penurunan sebesar -19,9 %.

28

Kesimpulan

30

Konvergensi

31

Secara pengaturan default, Lotus Engine Simulation mengatur nilai error maksimum pada

cylinder exhaust section sebesar 1 %, cylinder inlet section sebesar 0% dan nilai average

error pada pipe section sebesar 2 %. Dari Ketiga hasil grafik tersebut masih dalam batas

range yang ditentukan dari LES untuk garis error limit. Berdasarkan pada referensi

tersebut, maka dapat dikatakan bahwa semua simulasi (Gasoline STD, LPG STD, LPG 1,

LPG 2, LPG 3, LPG 4, LPG 5 dan LPG 6) yang dilakukan valid karena nilai error yang

dihasilkan pada grafik konvergensi lebih kecil daripada nilai error maksimum yang

diperbolehkan pada LES.

Fuel Mass Rate

.

32

Tingginya massa alir bahan bakar mulai dari LPG 5, Gsoline

STD, LPG 2, LPG STD, LPG 4, LPG 1, LPG 6 dan LPG 3 adalah

karena faktor AFR. Semakin rendah nilai AFR, maka semakin banyak

bahan bakar relatif terhadap udara yang dicampurkan. Akibatnya,

campuran menjadi lebih kaya yang pada akhirnya membutuhkan laju

bahan bakar yang lebih besar.

Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional

standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan massa alir bahan

bakar sebesar -11,72 % sedangkan massa alir bahan bakar terendah

terjadi pada LPG 3 dengan rata - rata penurunan sebesar -32,24 %.

Dapat disimpulkan, semakin banyak asupan bahan bakar ke ruang

bakar tidak berarti performa yang dihasilkan semakin tinggi.

33

Air Flow Rate

..

34

Tingginya massa alir udara secara urut mulai dari Gasoline

STD, LPG 6, LPG 4, LPG STD, LPG 3, LPG 1, LPG 5 dan LPG 2

adalah karena faktor AFR. Semakin tinggi nilai AFR, maka semakin

banyak udara relatif terhadap bahan bakar yang dicampurkan.

Akibatnya, campuran menjadi lebih miskin yang akhirnya berdampak

pada massa alir udara yang lebih besar.

Penggantian gasoline dengan LPG pada kondisi operasional

standar gasoline menghasilkan rata - rata penurunan massa alir udara

sebesar -1,36 % sedangkan massa alir udara tertinggi terjadi pada

Gasoline STD sendiri diikuti oleh LPG 6 dengan rata - rata penurunan

sebesar -0,42 %. Hal ini karena rantai karbon pada gasoline lebih

panjang sehingga dalam reaksi pembakaran membutuhkan udara (O2)

yang lebih banyak.

35

program studi diii teknik mesin fakultas teknologi...

Documents