BAB IV METODE
4.1 Rancangan Simulasi
4.1.1 Pemodelan Sistem Operasional Mesin
Setelah pemodelan aliran fluida dilakukan, selanjutnya adalah mensimulasikan sistem operasional mesin menggunakan bantuan software Internal Combustion Engine (ICE) GT POWER 7.4 guna mengetahui karakteristik pembakaran, unjuk kerja dan emisi mesin.
27 Dalam pemodelan sistem operasional mesin, terdapat beberapa tahapan yang perlu dilakukan. Tahapan-tahapan tersebut diawali dengan mengumpulkan data input yang sesuai dengan kondisi operasional mesin. Tahap selanjutnya adalah menggunakan data input untuk memodelkan sistem operasi mesin. Setelah pemodelan sistem operasi mesin selesai, langkah selanjutnya adalah mensimulasikan model. Tahap ini berguna untuk mengetahui model yang telah dirancang dapat bekerja dengan baik. Tahap terakhir adalah memvalidasikan hasil yang telah diperoleh dari simulasi model dengan kondisi asli mesin. Tahapan-tahapan ini akan dijelaskan pada sus-bab berikut.
4.1.1.1 Pengumpulan Data
Dalam pemodelan sistem operasional mesin, perlu dilakukan pengumpulan data input sesuai dengan kondisi mesin. Data yang dibutuhkan berupa spesifikasi mesin diesel, dimensi komponen-komponen utama mesin dan parameter pendukung sistem, seperti suhu dan tekanan. Data spesifikasi mesin diesel telah disampaikan pada Tabel 3.1, sedangkan data berupa dimensi komponen mesin didapatkan dengan cara melakukan pengukuran pada masing-masing komponen mesin.
Data dimensi komponen secara lengkap yang berguna sebagai data input pada pemodelan ini berupa dimensi komponen mesin pada saluran intake, dimensi komponen mesin pada saluran exhaust, dimensi katup hisap dan katup buang dan data parameter pendukung pada masing-masing komponen (diameter injector, suhu lingkungan, tekanan lingkungan, suhu saluran dinding saluran masuk dan dinding saluran keluar) yang nantinya berguna sebagai data input.
4.1.1.2 Pemodelan Sistem Operasional Mesin
Setelah pengumpulan data selesai dilakukan, tahap selanjutnya adalah melakukan pemodelan sistem operasional mesin dengan bantuan software GT Power. Pemodelan dilakukan dengan memasukkan data mesin yang telah diperoleh sesuai dengan data yang dibutuhkan pada software. Dengan dilakukannya pemodelan, maka dapat diketahui sistem kerja mesin dan parameter apa saja yang dapat digunakan atau diganti pada mesin. Pemodelan dapat dilakukan diawal penelitian dengan tujuan untuk menentukan parameter apa saja yang
28 digunakan pada mesin dan dapan dilakukan diakhir penelitian dengan tujuan untuk memvalidasi pengujian yang telah dilakukan secara ekperimen.
Dalam penelitian ini, pemodelan mesin dibagi menjadi tiga, yaitu pemodelan mesin diesel konvensional, pemodelan mesin dual fuel dan pemodelan intake valve fin dengan menambahkan nilai swirl tertentu pada ruang bakar.
A. Pemodelan mesin diesel konvenasional
Pada pemodelan ini, langkah pertama yang dilakukan adalah membuat diagram sistem mesin diesel pada software. Masing-masing komponen pendukung sistem mesin kemudian dimasukkan ke dalam diagram kerja dan dakukan input data. Data yang dimasukkan berupa data dimensi dan data pendukung seperti tekanan dan suhu. Beberapa komponen dan data input yang dibutuhkan untuk membentuk pemodelan sistem mesin diesel adalah:
- Kondisi lingkungan
Data yang dibutuhkan adalah tekanan, suhu dan komposisi penyusun udara. - Saluran intake dan exhaust
Data yang dibutuhkan adalah panjang, diameter, suhu dinding saluran dan paterial penyusun saluran.
- Katup hisap dan katup buang
Data yang dibutuhkan adalah diameter katup dan waktu bukaan katup. - Injektor
Data yang dibutuhkan adalah diameter injektor, jenis bahan bakar, massa bahan bakar, rasio udara dan gas, suhu, tekanan injeksi, jumlah nozzle, durasi injeksi dan waktu penginjeksian bahan bakar.
- Silinder mesin
Data yang dibutuhkan adalah suhu dinding ruang bakar yang terdiri dari silinder, kepala silinder dan piston, heat transfer dan metode pembakaran. Pada silinder mesin juga dapat ditentukan bentuk ulakan fluida yang terjadi dalam ruang bakar dengan mengaktifkan nilai swirl yang digunakan.
29 - Engine crank train
Data yang dibutuhkan adalah tipe mesin, putaran mesin, geometri mesin dan jumlah silinder.
Komponen dan data yang dibutuhkan untuk menyusun suatu model mesin diesel tersebut kemudian disusun dan dihubungkan satu sama lain sehingga membentuk model sistem mesin diesel. Pemodelan ini dapat diamati pada Gambar 4.1.
Gambar 4. 1 Pemodelan mesin diesel
B. Pemodelan mesin dual fuel
Untuk dapat mengaplikasikan sistem dual fuel pada model, maka perlu ditambahkan komponen injektor gas pada saluran intake sehingga terdapat dua injektor pada model, yaitu injektor solar dan injektor gas. Parameter yang perlu diisi pada injektor gas sama dengan injektor diesel. Waktu penginjeksian gas juga disesuikan dengan kondisi eksperimen, yairu pada saat langh hisap. Massa gas yang diinjeksikan dapat dihitung dari substitusi energi yang ingin diperoleh dari sistem dual fuel. Pemodelan sistem mesin dual fuel dapat diamati pada gambar 4.2.
30 Gambar 4. 2 Pemodelan mesin dual fuel
C. Pemodelan intake valve fin
Pada pemodelan ini, diagram kerja sama seperti Gambar 4.1 dan Gambar 4.2 untuk simulasi mesin diesel konvensional dan dual fuel. Aplikasi intake valve fin berpengaruh terhadap aliran fluida yang terjadi pada ruang bakar. Oleh karena itu, pengaruh aplikasi
intake valve fin dapan dilihat dengan menambahkan parameter nilai swirl pada aliran fluida
(Flow Object).
Swirl didefinisikan sebagai perbandingan flux momentum sudut dengan flux momentum linier. Nilai swirl pada ruang bakar dikalkulasi dengan persamaan 4.1.
๐ถ๐ = 2๐๐ ๐ฬ๐๐๐ ๐ต (4.1) ๐๐๐ = โ๐ ๐๐{2๐พ ๐พโ1[1 โ ๐๐ ๐พโ1 ๐พ ]} 1/2 (4.2)
Dimana Cs adalah koefisien swirl, Ts adalah torsi swirl, แน adalah laju aliran masa, Uis adalah kecepatan isentropic katup, B adalah bore silinder, R adalah konstanta gas To adalah suhu stagnansi dan ๐พ adalah perbandingan panas spesifik (1.4 untuk udara dengan suhu 300K).
31 4.1.1.3 Simulasi
Setelah pemodelan selesai dilakukan, tahap selanjutnya adalah melakukan simulasi. Simulasi dilakukan untuk mendapat data unjuk kerja dan emisi mesin diesel konvensional dan diesel dual fuel dengan pengaruh penambahan nilai swirl pada silinder. Sehingga nantinya data yang diperoleh dapat berguna untuk perbandingan dan pengolahan data selanjutnya. Sebelum simulasi dilakukan, perlu ditentukan beberapa pengaturan yaitu menentukan parameter beserta data input pemodelan, menentukan durasi simulasi dan variabel pengontrol waktu serta mengatur hasil keluaran simulasi sesuai dengan yang diinginkan
Setelah semua pengaturan selesai dilakukan, maka proses simulasi dapat dilakukan. Simulasi dilakukan pada setiap model yang telah dibuat sebelumnya, yaitu pada mesin diesel, mesin dual fuel dan aplikasi intake valve fin.
a. Simulasi Mesin Diesel
Simulasi pertama dilakukan pada mesin diesel konvensional dengan kondisi putaran dan beban maksimum untuk memperoleh daya maksimum mesin sesuai dengan spesifikasi mesin yang ditampilkan pada Tabel 3.1. Setelah mesin diesel pada kondisi tersebut disimulasikan, selanjutnya adalah mensimulasikan mesin diesel dengan kondisi operesional mesin 1800, 2000 dan 2200 rpm dengan pembebanan 25% hingga 100%. Pada proses simulasi mesin diesel ini, seluruh data yang dibutuhkan disesuaikan dengan kondisi mesin, seperti jumlah solar yang diinjeksikan, waktu penginjeksian solar, waktu bukaan katup intake dan katup exhaust dan besar bukaan katup.
b. Simulasi Mesin Dual Fuel
Setelah simulasi mesin diesel dilakukan, selanjutnya adalah mensimulasikan mesin pada sistem dual fuel dengan penambahan bahan bakar CNG. Mesin akan disimulasikan dengan kondisi operesional mesin 1800, 2000 dan 2200 rpm dengan pembebanan 25% hingga 100%. Pada proses simulasi mesin dual fuel ini, seluruh data yang dibutuhkan disesuaikan dengan kondisi mesin, seperti yang telah dijelaskan pada simulasi mesin diesel. Namun pada mesin
dual fuel, ditambahkan data jumlah CNG yang diinjeksikan, waktu penginjeksian CNG dan
32 c. Simulasi Intake Valve Fin dengan Variasi Nilai Swirl
Pada tahap pemodelan intake valve fin, mesin akan dioperasikan pada beban maksimum dengan putaran mesin yang divariasikan pada 1800 โ 2200 rpm dengan interval 100 rpm. Nilai
swirl akan divariasikan pada 0 โ 4 dengan interval 0,5.
Setelah semua data dan parameter yang dibutuhkan telah diinput kedalam software, simulasi dapat dilakukan. Dalam proses simulasi, beberapa pemeriksaan dilakukan oleh sistem untuk membandingkan seluruh pengaturan mesin antara simulasi dan eksperimen telah sesuai. Jika terdapat ketidaksesuaian, maka software akan memberikan peringatan dan rekomendasi untuk mengubah pengaturan dan parameter agar pemodelan dapat berlangsung.
4.1.1.4 Hasil Simulasi
Setelah simulasi selesaii dilakukan, maka hasil simulasi dapat dilihat pada program GT-Post. Program ini menampilkan data hasil simulasi secara lengkap, seperti data unjuk kerja, karakteristik pembakaran dan emisi yang dihasilkan mesin. Setiap parameter yang didapatkan dari hasil simulasi tersedia dalam beberapa jenis satuan, sehingga dapat disesuaikan dengan kondisi real mesin.
Simulasi yang dilakukan pada setiap model, akan dianalisis unjuk kerja, karakteristik pembakaran dan emisi yang dihasilkan. Variasi nilai swirl pada mesin dual fuel juga akan dianalisis pengaruhnya terhadap unjuk kerja, karakteristik pembakaran dan emisi yang dihasilkan. Unjuk kerja yang dianalisis pada pemodelan ini adalah daya, torsi, SFOC dan efisiensi termal. Karakteristik pembakaran yang dianalisis adalah tekanan silinder dan panas yang dilepaskan.