1
ANALISA TEGANGAN PISTON AKIBAT PENGURANGAN TEBAL PISTON HEAD PADA KONVERSI MESIN DIESEL MENJADI MESIN BAHAN BAKAR GAS
Hendra Septiawan Dosen Pembimbing : Semin, ST, MT, Ph.D.
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
Konversi mesin diesel menjadi mesin berbahan bakar gas akan 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/mm2 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.terbesar yaitu 1910oC di daerah piston head.
Kata kunci: mesin diesel, modifikasi piston, FEM.
PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi bahan bakar sangatlah signifikan. Salah satu bahan bakar yang mulai dilirik pada bidang otomotif adalah CNG. CNG merupakan bahan bakar yang ramah lingkungan dan lebih aman dibandingkan dengan BBM atau LPG karena gas lebih ringan dari udara sehingga tidak mudah terbakar. Namun untuk titik nyala CNG lebih lebih tinggi sehingga sulit terbakar dibanding dengan bahan bakar diesel.
Untuk mengatasi masalah tersebut maka dibutuhkan voleme ruang bakar yang lebih besar. Salah satu cara untuk memperbesar volume ruang bakar (combustion chamber) yaitu dengan mengurangi ketebalan pada piston head. Dengan demikian terjadi penurunan kekuatan piston. Pada penulisan ini akan dianalisa mengenai tegangan yang terjadi pada piston pada saat tekanan maksimal pembakaran. Pembuatan model piston akan digambar pada softwere AutoCAD, setelah itu baru dilakukan pembuatan meshing adan analisa model.
DASAR TEORI Deskripsi Umum CNG
CNG merupakan gas alam yang dikompresi dan dapat disimpan dalam suatu bejana. CNG membutuhkan volume bejana yang lebih besar untuk mendapatkan massa yang sama terhadap gas alam dan menggunakan tekanan tinggi sekitar 200 bar atau 2900 psi (Poulton, 1994). Komponen utama dalam gas alam adalah metana (CH4). Gas alam juga mengandung molekul-molekul hidrokarbon yang lebih berat seperti etana (C2H6), propana (C3H8) dan butana (C4H10), selain juga gas-gas yang mengandung sulfur (belerang). Gas alam juga merupakan sumber utama untuk sumber gas helium.
Keuntungan CNG dibandingkan dengan bensin dan diesel :
• Lebih aman dibandingkan dengan BBM atau LPG karena gas lebih ringan dari udara sehingga tidak mudah terbakar.
• Emisi lebih ramah lingkungan
• CNG memiliki octan number yang bagus untuk bahan bakar SI engine, flame speed lebih cepat sehingga mesin dapat dioperasikan pada compression ratio yang tinggi (Ganesan, 1999).
Properties CNG
Secara fisik, gas alam tidak berwarna, tidak berasa, relative tidak beracun (Yusaf et al. 1996a, p.19) dan termasuk senyawa organic yang tidak mudah menyala atau biasa disebut VOC (Volatile Organic Compound). Untuk menggunakan gas alam sebagai bahan bakar kendaraan dibutuhkan pengkompresian pada tekanan tinggi sekitar 18-20MPa pada temperature normal di kapal sebelum Gas tersebut disupplai ke ruang bakar mesin. Tabel 1.1 Properti CNG pada 25oC dan 1 atm (Sera, dkk, 2003)
CNG Properties Value
Density (kg m-3) 0.72
Flammability limits (volume % in
air) 4.3-15
Flammability limits (Ø) 0.4-1.6 Autoignition temperature in air
(°C) 723
Minimum ignition energi (mJ) 0.28 Flame velocity (m sec-1) 0.38 Adiabatic flame temperature (K) 2214 Quenching distance (mm) 2.1 Stoichiometric fuel/air mass ratio 0.069 Stoichiometric volume fraction
(%) 9.48
Lower heating value (MJ kg-1) 45.8 Heat of combustion (MJ kgair -1) 2.9
Mesin Diesel
Dewasa ini diesel merupakan tenaga penggerak yang banyak dipakai pada kendaraan darat maupun kendaraan laut. Motor diesel mempunyai banyak keunggulan antara lain mempunyai tingkat efisiensi yang tinggi dengan tingkat pemakaian bahan bakar relatif rendah. Keuntungan lainnya ukuran mesin sangat kompak dan mudah dikendalikan (Harington,1992).
Prinsip Kerja Mesin Diesel
Mesin diesel dewasa ini merupakan salah satu sumber tenaga yang mudah didapat dalam
beberapa keadaan dan dapat diaplikasikan dengan berbagai putaran, baik putaran rendah, sedang, hingga tinggi. Motor diesel dalam proses penyalaannya menggunakan tenaga kompresi yang tinggi. Prinsip kerjanya adalah pada saat langkah hisap udara dihisap masuk ke dalam silinder selanjutnya torak bergerak ke atas menekan atau mengkompresi udara sehingga suhu naik sangat tinggi. Beberapa saat sebelum TMA bahan bakar disemprotkan. Akibat terjadi persinggungan antara bahan bakar dan udara panas maka terjadilah pembakaran. Prinsip kerja dari motor diesel 4 langkah (Taylor,1958) , yaitu :
- Admision (langkah hisap) :
Torak bergerak dari TMA menuju TMB, katup hisap terbuka udara segar masuk melalui katub tersebut.
- Compression (langkah kompresi):
Torak bergerak dari TMB ke TMA, katub tertutup beberapa derajat sesudah TMB. Pada akhir kompresi beberapa derajat sebelum TMA bahan bakar disemprotkan dalam ruangan bakar melalui injektor nosel.
- Expansion (langkah kerja):
Torak bergerak dari TMA menuju TMB setelah bahan bakar bercampur dengan baik maka terjadilah pembakaran mendorong piston menuju TMB.
- Exhaust (langkah buang):
Piston bergerak dari TMB menuju TMA, katub buang terbuka beberapa derajat sebelum tekanan dalam silinder akan naik karena dorongan piston sehingga gas hasil pembakaran terdorong keluar. Piston
Piston dalam bahasa Indonesia juga dikenal dengan istilah torak adalah komponen dari mesin pembakaran dalam yang berfungsi sebagai penekan udara masuk dan penerima hentakan pembakaran pada ruang bakar silinder liner. Komponen mesin ini dipegang oleh setang piston yang mendapatkan gerakan turun-naik dari gerakan berputar crankshaft. Bentuk bagian-bagian piston dapat dilihat pada Gambar 1.1.
3 Gambar 1.1 Bagian-bagian piston
Tegangan
Tegangan Normal (Normal Stress)
Gaya internal yang bekerja pada sebuah potongan dengan luasan yang sangat kecil akan bervariasi baik besarnya maupun arahnya. Pada umumnya gaya-gaya tersebut berubah-ubah dari suatu titik ke titik yang lain, umumnya berarah miring pada bidang perpotongan (Ferdinand dan Andrew, 1980). Dalam praktek keteknikan intensitas gaya diuraikan menjadi tegak lurus dan sejajar dengan irisan.
Tegangan normal adalah intensitas gaya yang bekerja normal (tegak lurus) terhadap irisan yang mengalami tegangan, dan dilambangkan dengan ζ (sigma).
Tegangan normal dapat berbentuk: 1. Tegangan Tarik (Tensile Stress)
Apabila sepasang gaya tarik aksial menarik suatu batang, dan akibatnya batang ini cenderung menjadi meregang atau bertambah panjang. Maka gaya tarik aksial tersebut menghasilkan tegangan tarik pada batang di suatu bidang yang terletak tegak lurus atau normal terhadap sumbunya.
2. Tegangan Tekan (Compressive Stress) Apabila sepasang gaya tekan aksial mendorong suatu batang, akibatnya batang ini cenderung untuk memperpendek atau menekan batang tersebut. Maka gaya tarik aksial tersebut menghasilkan tegangan tekan pada batang di suatu bidang yang terletak tegak lurus atau normal terhadap sumbunya.
Besar resultan gayanya sama dengan beban P yang dikenakan, tetapi arahnya berlawanan. Sehingga diperoleh rumus :
A
P
=
σ
(1.1) Dimana, σ = Tegangan (N/m2) P = Gaya aksial (N) A= Luas (m2) Regangan NormalRegangan merupakan perubahan bentuk per satuan panjang pada suatu batang. Semua bagian bahan yang mengalami gaya-gaya luar, dan selanjutnya tegangan internal akan mengalami perubahan bentuk (regangan). Misalnya di sepanjang batang yang mengalami suatu beban tarik aksial akan teregang atau diperpanjang, sementara suatu kolom yang menopang suatu beban aksial akan tertekan atau diperpendek. Perubahan bentuk total (total deformation) yang dihasilkan suatu batang dinyatakan dengan huruf Yunani δ (delta). Jika panjang batang adalah L, regangan (perubahan bentuk per satuan panjang) dinyatakan dengan huruf Yunani ε (epsilon), maka:
L
δ
ε
=
(1.2) Sesuai dengan hukum Hooke, tegangan adalah sebanding dengan regangan. Dalam hukum ini hanya berlaku pada kondisi tidak melewati batas elastik suatu bahan, ketika gaya dilepas. Kesebandingan tegangan terhadap regangan dinyatakan sebagai perbandingan tegangan satuan terhadap regangan satuan, atau perubahan bentuk. Pada bahan yang lebih lunak tapi masih elastik, seperti perunggu, perubahan bentuk yang disebabkan oleh intensitas tegangan yang sama dihasilkan perubahan bentuk sekitar dua kali dari baja dan pada aluminium tiga kali dari baja.
Regangan ε disebut regangan normal (normal strain) karena berhubungan dengan tegangan normal. Rumus regangan normal berdasarkan hukum Hooke :
σ = E
E
σ
ε
=
(1.3) Dimana,E = Modulus elastisitas tekan/tarik P = Tegangan normal satuan ε = Regangan normal satuan Bentuk Regangan Normal:
Ø Regangan Tarik (Tensile Strain) : terjadi jika batang mengalami tarik
Ø Regangan Tekan (Compressive Strain) : terjadi jika batang mengalami tekan Tegangan Geser (Shearing Stress)
Tegangan geser adalah intesitas gaya yang bekerja sejajar dengan bidang dari luas permukaan, dilambangkan dengan τ (Tau).
Gambar 1.2 Batang Mengalami Tegangan Geser A. Regangan Geser
Hukum Hooke untuk keadaan geser: τ = Gγ τ = Gγ
G
τ
γ
=
(1.4)Dimana,
G = Modulus elastisitas geser γ = Regangan geser satuan, (radian) τ = Tegangan geser satuan
B. Defleksi Batang Beban Aksial
Sebuah batang yang dibebani secara aksial (axially loaded) mengalami perubahan panjang. Perubahan panjang yang terjadi dapat dihitung dengan rumus:
AE
PL
A
PL
L
A
P
E
E
=
∆
=
∆
=
=
/
/
σ
(1.5) Dimana, E = Modulus elastisitas (N/m2) ε = Regangan L = Panjang batang (m) Δ = Perubahan panjang (m) Elemen Hingga (Finite Element)Finite Element merupakan pusat untuk menampilkan analisa teknik dari suatu model menggunakan computer. Suatu persamaan dibutuhkan untuk menentukan suatu karakteristik model yang kompleks seringkali begitu rumit sehingga tidak praktis dalam pemakaiannya. Finite element method memecahkan masalah ini dengan membagi model yang kompleks menjadi sebuah group dari elemen hingga (finite element). Element dari model finite element memiliki bentuk geometri yang umum seperti rectangles, triangles dan tetrahedral. Semuanya itu termasuk
point penghubung yang dinamakan node, material yang digunakan dan element properties.
Gambar 1.3 Model Geometric An Finite Element
Material
Untuk membuat karakter suatu model maka diperlukan adanya material yang digunakan. Inputan material yaitu dapat berupa mechanical properties (untuk analisa struktur) dan thermal conductivity, temperature, ambient temperature dll (untuk analisa thermal). Material properties tidak akan berhubungan dengan model sebelum membuat properties yang nantinya akan dihubungkan ke element yang telah dibuat.
Loads dan Boundry Conditions
Kebanyakan permasalahan analisa melibatkan solusi bagaimana suatu model bertindak sebagai jawaban atas perlakuan pada model, yaitu mengenai gaya, tekanan, temperature atau yang berkaitan dengan magnetic. Dalam terminology analisa, ini dinamakan sebagai pembebanan. Perilaku model bermacam-macam, seperti sebuah cantilever yang dipasang didinding atau sebuah pembatasan adiabatic (tidak terpengaruh) dalam permasalahan thermal. Batasan-batasan ini dikenal sebagai boundry condition (kodisi batas).
Element Properties
Anda dapat menggunakan aplikasi Element Properties untuk menciptakan, memodifikasi, menghapus, dan Menunjukkan properties yang berhubungan dengan tipe element dan untuk menugaskan property ini pada geometry atau FEM didalam model Anda. Beberapa tipe element yaitu shell, beam, rod dan spring. Contoh element properties adalah ketebalan shell, konstanta pegas pada spring atau luasan
5 pada element bar. Element properties akan disetting pada model yang telah dibuat.
Analisa Termal (Thermal Analysis)
Permasalahan yang berkenaan dengan panas dapat digolongkan sebagai Steady-state atau transient, linear atau nonlinear. Analisa transient evolusi solusi dari waktu ke waktu dan sebagai tambahan terhadap pertukaran energi dengan lingkungan termasuk penyimpanan energi thermal. Analisa steady-state berkaitan dengan pemecahan point utama terhadap masalah pada boundry condition.
Nonlinearity merupakan solusi steady-state dan transient melalui beberapa area. Nonlinearity yang umum dihubungkan dengan temperature yang bergantung terhadap propertie suatu material, dalam thermal conductivity dan panas specific. Nonlinearity yang lain dikenalkan dari aplikasi boundry condition terutama terhadap konveksi dan radiasi. Semua analisa nonlinear perlu melibatkan pengulangan, estimasi kesalahan dan beberapa bentuk dari criteria konvergensi.
Analisa Steady-State
Persamaan yang umum dipakai untuk kesetimbangan panas steady-state adalah sebagai berikut :
[K]{u} [ℜ]{u+Tabs}4 + = {P} + {N} (1.6) Dimana,
[K] = heat conduction matrix [ℜ] = perubahan radiation matrix
{u} = vector dari temperatures yang tidak diketahui
Tabs = temperatur absolut
{P} = vector dari laju aliran panas konstan
{N} = vector dari temperature laju aliran panas yang tidak bebas
Persamaan diatas merupakan nonlinear karena adanya istilah radiasi dari daya pangkat empat, sebagai tambahan dari radiasi, kebanyakan nonlinear dimasukan kedalam persamaan ini melalui koefisien matriks dan boundry condition. Secara spesifik, nonlinearity dimasukan dengan menspesifikasi property material dan boundry condition sebagai batasan temperature.
Kondisi Awal dari Analisa Steady-State Karena persamaan nonlinear itu dilakuakn dengan skema yang berulang-ulang, perlu diperhatikan kondisi awal yang memiliki pengaruh kuat terhadap seberapa cepat permasalahan tersebut terselesaikan. Kondisi awal menyediakan point awal dari temperature untuk metode solusi yang iterative. Jelasnya, jika kita dapat dengan tepat melakukan solusi terhadap masalah kita, proses itu akan memusat pada iterasi pertama. Walaupun ini sangat sulit, suatu perkiraan awal yang baik dapat mempercepat pemusatan dengan jelas. Untuk masalah nonlinear yang rumit , perkiraan awal terhadap temperature sangat dibutuhkan untuk mencapai suatu pemusatan.
Perpindahan Panas (Heat Transfer)
Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material (Holman J.P, 1986). Dari termodinamika telah kia ketahui bahwa energi yang berpindah itu dinamakan kalor atau panas (Heat). Ilmu ini dapat digunakan untuk meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dalam keadaan seimbang ke keadaan seimbang lain, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan itu. Hal ini disebabkan pada waktu proses perpindahan itu berlangsung, sistem tidak dalam keadaan seimbang. Ilmu perpindahan kalor melengkapi hokum pertama dan kedua termodinamika, yaitu dengan memberikan beberapa kaidah percobaan yang dapat dimanfaatkan untuk menentukan perpindahan energi.
Perpindahan Kalor Konduksi
Jika pada suatu benda terdapat gradient suhu (temperature gradient), maka menurut pengamalan akan terjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah. Kita katakana bahwa energi berpindah secara konduksi (conduction) atau hantaran, dan bahwa
laju perpindahan kalor itu berbanding dengan gradient suhu normal.
x T A q ∂ ∂ ~ (1.7) Jika dimasukkan konstanta proporsionalitas (proporsionality constant) atau ketetapan kesebandingan, maka : x T kA q ∂ ∂ − = (1.8) Dimana q ialah laju perpindahan kalor dan ∂T/∂x merupakan gradient suhu kearah perpindahan kalor. Konstanta positif k disebut konduktivitas atau kehantaran thermal (thermal conductivity) benda itu, sedangkan tanda minus diselipkan agar memenuhi hokum kedua termodinamika, yaitu kalor mengalir dalam skala suhu, sebagimana yang ditunjukkan dalam sistem koordinat pada gambar 2.16. Persamaan (2.2) disebut hukum fourier tentang konduksi kalor, yaitu menurut nama ahli matematika fisika bangsa Perancis, Joseph Fourier yang telah memberikan sumbangan yang sangat penting dalam pengolahan analitis masalah perpindahan kalor konduksi. Satuan k adalah watt per meter per derajat celcius (dalam sistem yang menggunakan watt sebagai sautan kalor). Dengan menggunakan persamaan (2.2) sebagai titik awal sekarang dapatlah kita menentukan persamaan dasar yang mengatur perpindahan kalor dalam zat padat.
Gambar 1.4 Bagan yang Menunjukan Arah Aliran Kalor
Perhatikanlah suatu sistem satu dimensi sebagaimana yang ditunjukkan gambar 2.17. Jika sistem ini berada pada keadaan tunak
(steady state), yaitu jika suhu tidak berubah menurut waktu, maka masahnya sederhana saja dan kita hanya perlu malakukan integrasi pada persamaan (2.2) dan mensubtitusi nilai-nilai yang sesuai untuk memecahkan soal itu. Tetapi, jika suhu zat padat itu berubah menurut waktu atau jika ada sumnber kalor (heat source) atau sumur kalor (heat sink) dalam zat padat itu, maka situasinya akan menjadi lebih rumit.
Gambar 1.5 Volume Unsuran untuk Analisis Konduksi Kalor Satu Dimensi
Untuk konduktifitas termal yang tetap (konstan), dapat dituliskan sebagai berikut :
τ α ∂ ∂ = + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ T k q z T x T x T 1 2 2 2 2 2 2 (1.9) Dimana besaran α = k/ρc disebut difusivitas termal atau kebauran termal (thermal difucivity) bahan. Makin besar nilai α, makin sepat kalor membaur dalam bahan itu. Nilai α yang besar dapat disebabkan oleh salah satu dari dua hal berikut. Pertama, nilai konduktivitas termal yang tinggi menunjukkan laju perpindahan energi yang pesat; atau yang kedua, dari nilai kapasitas kalor termal (thermal heat capacity) ρc yang rendah. Nilai kapasitas kalor yang rendah berarti bahwa energi yang berpindah dari bahan itu yang diserap dan digunakan untuk menaikkan suhu jumlahnya lebih sedikit, jadi energi yang masih dapat dipindahkan lebih banyak. Satuan difusivitas termal α adalah meter persegi per detik.
7 Konduktivitas Termal
Persamaan (2.2) merupakan persamaan dasar tentang konduktivitas termal. Berrdasarkan rumusan itu, maka dapatlah dilaksanakan pengukuran dalam percobaan untuk menentukan konduktivitas termal berbagai bahan. Untuk gas-gas suhu agak rendah, pengolahan analitis teori kinetik gas dapat dipergunakan untuk meramalkan secara teliti nilai-nilai yang diamati dalam percobaan. Untuk meramalkan konduktivitas termal zat cair dan zat padat, ada teori-teori yang dapat digunakan dalam situasi tertentu. Tetapi, pada umumnya dalam hal zat cair dan zat padat terdapat banyak masalah yang masih memerlukan penjelasan.
Mekanisme konduksi termal pada gas cukup sederhana. Enegi kinetik molekul ditunjukkan oleh suhunya, jadi pada bagian bersuhu tinggi molekul-molekul mempunyai kecepatan yang lebih tinggi daripada bagian yang bersuhu rendah.Molekul-molekul itu selalu berada dalam gerakan acak,saling bertumbukkan satu sama lain, dimana terjadi pertukaran energi dan momentum. Perrlu diingat molekul-molekul itu selalu dalam gerakan acak walaupuntidak terdapat gradien dalam gas itu. Jika suatu molekul bergerak dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah, maka molekul itu mengangkut energi kinetik ke bagian sistem yang suhunya lebih rendah dan disini menyerahkan energinya pada waktu bertumbukan dengan molekul yang energinya lebih rendah.
METODOLOGI Flow Chart Penulisan
Gambar 1.6 Alur Penulisan
Studi Literatur
Pada tahapan ini penulis mengumpulkan beberapa referensi baik berupa buku, jurnal, internet, dan data-data dari instansi atau orang yang terkait. Referensi tersebut akan digunakan sebagai acuan dalam menulis tugas akhir ini.
Pengumpulan Data
Pada tahapan ini dilakukan pengumpulan data-data engine seperti tekanan pembakaran maksimal pada ruang bakar, dimensi dan material piston. Data didapatkan dari project guide engine YANMAR L100. Untuk mengetahui tekanan pembakaran pada ruang bakar, dilakukan simulasi pada softwere. Untuk data-data inputan telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya.
Berikut data engine sebelum dimodifikasi : Tabel 1.2 Data Mesin Yanmar L100 Sebelum Dimodifikasi :
Material Piston
Tabel 1.3 Mechanical Properties Dural Aluminium
Density 2600-2800 kg/m3
Melting Point 660 °C
Elastic Modulus 70-79 GPa
Poisson's Ratio 0.33
Tensile Strength 230-570 MPa
Yield Strength 215-505 MPa
Percent Elongation 10-25%
Thermal Conductivity 200 W/m.K Dimensi Piston
Gambar 1.7 Gambar Piston 2D
ANLISA DAN PEMBAHASAN
Analisa dilakukan dengan cara memvariasikan compression ratio (CR) engine. Mulai dari 10, 13, 15, 17, 19 dan 20.28. Untuk membuat suatu model piston dengan berbagai variasi CR tersebut dengan menggunakan softwere Autocad. Dari gambar Autocad maka model piston akan dipotong sesuai variasi CR yang digunakan. Dari kondisi ini maka torsi, pressure dan distribusi thermal akan bervariasi. Dari variasi ini akan dianalisa tegangan (stress) yang terjadi pada piston.
Paramater dari perhitungan yaitu tegangan yang terjadi harus lebih kecil dari tegangan ijin, dimana tegangan ijin yaitu :
) keamanan(n faktor ) y leleh(σ tegangan ) ijin ijin(σ Tegangan = (1.10) Dimana,
Tegangan leleh Duralaluminium = 505 MPa Factor keamanan = 2
Model dipotong sesuai dengan CR yang direncanakan, sehingga terdapat modifikasi yang terjadi pada data mesin. Beberapa hal yang berubah akibat pemotongan piston yaitu CR, stroke, dan tinggi clearance. Variable tersebut didapat dengan menggunakan softwere autocad. Variasi pemotongan dilakukan pada piston head.
Gambar 1.8 Jenis Volume pada Piston Untuk menghitung CR, yaitu :
Clearence hole Clearence hole stroke V V V V V CR + + + = (1.11)
Tabel 1.4 Data yang Didapat pada Penggambaran di Autocad
CR Vstroke Vhole Vclear. 20.28 406285.44 17006.82 4062.85 19 406285.44 16432.98 6094.28 17 406285.44 15349.92 9866.93 15 406285.44 14401.70 14394.11 13 406285.44 13237.86 20488.39 10 406285.44 10384.86 34244.06 Data yang didapat tersebut digunakan untuk simulasi performa mesin. Sehingga akan didapatkan tekanan maksimal, temperature
9 maksimal dan data-data lain yang dianggap perlu.
Tabel 1.5 Data untuk Analisa Struktur 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 1.6 Data untuk Analisa Thermal
CR
Heat Transfer (kW/m2) Piston Head Cyl.
20.28 201 211 82 19 193 203 88 17 180 190 97 15 167 176 105 13 154 162 113 10 132 139 124 Analisa Struktur
Analisa dilakukan dengan memvarisasikan nilai CR. Dari hasil analisa akan didapatkan nilai tegangan pada piston. Dari nilai tegangan tersebut akan dibatasi dengan nilai tegangan ijin yang direncanakan, sehingga piston tersebut dinyatakan dapat beroperasi pada kondisi tersebut.
Gambar 1.9 Meshing dan Boundry Condition untuk Analisa Struktur
Tabel 1.7 Data Tegangan Hasil Analisa
CR Tekanan Maksimal (bar) Tekanan Maksimal (N/mm2) Stress (N/mm2) Max. Min. 20.28 86.64 8.664 339 0.0539 19 81.21 8.121 308 0.0656 17 72.83 7.283 304 0.0624 15 64.51 6.451 266 0.065 13 56.32 5.632 221 0.0564 10 44.13 4.413 171 0.0445 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.
Grafik 1.1 Tegangan pada Piston
Gambar 1.10 Hasil Analisa Model untuk Analisa struktur 0 100 200 300 400 10 12 14 16 18 20 22 N/mm2 CR
Tegangan
Analisa Thermal
Variasi CR sama seperti analisa struktur, namun boundry condition nya berbeda. Analisa thermal pada kondisi steady-state. Dimana themperatur maksimal akan diplotkan ke model, heat input dan mechanical properties dari material piston. Tabel 1.8 Data yang Didapat dari Simulasi Performa Mesin CR Tw (OC) T∞ (OC) q (W/mm2) 20.28 317.85 1750 201 19 374.85 1750 193 17 507.48 1790 180 15 630.10 1820 167 13 752.73 1850 154 10 969.48 1910 132
Dengan memasukkan boundry condition pada model piston, maka akan dilakukan analisa distribusi thermal.
Gambar 1.11 Meshing dan Boundry Condition untuk Analisa Termal
Tabel 1.9 Hasil Analisa Thermal CR Distr. Temperatur ( o C) max min 20.28 318 309 19 375 362 17 507 486 15 630 601 13 753 715 10 969 918
Grafik 1.2 Distribusi Thermal Piston 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.
KESIMPULAN
Tegangan yang terjadi pada piston terbeser pada CR 20.28 yaitu 339 N/mm2
yang terletak di daerah sekitar lubang piston pin. Karena tekanan silinder terbesar pada CR tersebut yaitu 8.664 bar. Perubahan tegangan menurun secara gradual seiring dengan pemotongan piston. Distribusi temperatur terbesar yaitu pada CR 10 yaitu dengan temperature 969oC. Pada temperature tersebut piston tidak dapat digunakan, karena temperature telah melebihi batas temperature normal piston duralaluminium yaitu tidak kurang dari 500 oC. Sedangkan distribusi temperatur yang terkecil pada CR 20.28 yaitu 318oC. sehingga piston dapat digunakan untuk menahan beban tekanan dan panas yaitu pada CR 19. Tegangan pada CR 10, 13, 15, 17 dan 19 masih dapat diterima oleh piston, karena tegangan maksimal lebih kecil dari tegangan ijin. Tegangan pada CR 10, 13, 15, 17 dan 19 yaitu 171, 221, 266, 304 dan 308 N/mm2, sedangkan tegangan ijin yaitu 336.7 N/mm2.
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
11 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.
