ANALISA BACK PRESSURE TERHADAP PRESTASI MESIN DIESEL NANCHANG 2105 A-3

(1)

PRO S ID IN G 20 1 1© HASIL PENELITIAN FAKULTAS TEKNIK

Arsitektur Elektro Geologi Mesin Perkapalan Sipil

ANALISA BACK PRESSURE

TERHADAP PRESTASI MESIN DIESEL NANCHANG 2105 A-3

Baharuddin, Andi Husni Sitepu & Wira Setiawan Jurusan Perkapalan Fakultas Teknik Universitas Hasanuddin Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10 Tamalanrea - Makassar, 90245

Telp./Fax: (0411)585637 e-mail: [email protected]

Abstrak

Mesin diesel empat langkah pada kondisi idealnya dapat mencapai performa yang optimal.

Namun pada kenyataannya, instalasi gas buang yang dipengaruhi oleh efek tekanan balik, dapat menurunkan performa mesin. Metode yang digunakan pada penelitian ini bersifat eksperimental dengan mengukur back pressure mesin diesel Nanchang 2105-A3 pada berbagai variasi model gas buang dan putaran mesin 900, 1050, dan 1200 rpm kemudian membandingkannya dengan parameter prestasi mesin. Hasil penelitian menunjukkan pencapaian terbaik parameter prestasi mesin ialah pada instalasi gas buang model 4, yang mana pada putaran 1200 rpm, menghasilkan daya efektif sebesar 14,339 kW, efisiensi volumetris mencapai 66,348 %, specific fuel consumption yaitu 0,0655 kg/kW.h, dan konsumsi bahan bakar yaitu 0,000261 kg/s dengan back pressure sebesar 0,03 kg/cm². Kata Kunci : Mesin diesel, back pressure, prestasi mesin

PENDAHULUAN

Sistem gas buang adalah suatu sistem pendukung operasional dari mesin yang berguna unuk mengeluarkan gas buang dari ruang bakar menuju atmosfer. Proses pembuangan tersebut harus dilakukan dengan tahanan aliran yang minimum, sehinggaakan meminimalisir efek back pressure atau tekanan balik yang berpotensi mempengaruhi performa mesin.

Sistem gas buang mesin diesel Nanchang 2105 A-3 dianggap tidak lazim karena memiliki dua buah muffler dengan posisi horizontal dan vertikal. Selain itu, instalasi pipa gas buang sepanjang 5,5 meter yang dibutuhkan untuk dihubungkan ke pipa pembuangan air yang dijadikan sebagai saluran menuju atmosfer berpotensi untuk menaikkan back pressure, belum lagi belokan tajam 90° sejumlah 2 buah untuk menghubungkan antar komponen gas buang turut menambah efek tekanan balik. Hal ini tidak memenuhi syarat sistem gas buang yang efisien dimana pembuangan harus dilakukan dengan tahanan aliran yang minimum sehinggaback pressure yang dihasilkan tidaklah besar.

Berdasarkan uraian di atas, maka dapat dirumuskan bahwa pokok bahasan penelitian ini adalah berapakah nilai back pressure mesin diesel Nanchang 2105 A-3sehingga dapat diketahui pengaruhnya terhadap prestasi mesin diesel tersebut.

LANDASAN TEORI Back Pressure

Back pressure adalah tekanan yang timbul akibat hambatan yang dialami gas buang selama proses penyalurannya dan merupakan pantulan dari gelombang tekanan gas buang yang telah dikeluarkan dari silinder menuju sistem penyaluran gas buang kembali ke arah silinder. (Rachmat K. Bahrun,1990) Back pressure ini dapat terjadi baik pada exhaust manifold, pipa maupun muffler, dengan kata lain back pressure dapat terjadi jika

(2)

Analisis Back Pressure terhadap… Baharuddin, A. Husni Sitepu & Wira Setiawan

bisa terbakar lagi- masuk ke dalam ruang bakar akan mengurangi efisiensi volumetris udara yang masuk dari katup isap. Sisa gas buang yang tersisa dalam silinder ini mempengaruhi campuran baru pada saat langkah isap (Maleev, 1989). Lebih lanjut lagi, V.M Domkundwar dalam bukunya Internal Combustion Engine, mengemukakan bahwa sisa gas buang yang masuk ke dalam silinder mengakibatkan rasio udara-bahan bakar menjadi berkurang ( lean mixture). Campuran tersebut sukar untuk terbakar atau lambat dalam proses pembakaran. Sedangkan Francois Jaussi dalam penelitiannya tentang Exhaust Gas Recirculation menyatakan bahwa back pressure berakibat pada meningkatnya karbondioksida yang disertai meningkatnya suhu gas buang.

Sistem gas buang mesin diesel pada umumnya terdiri dari exhaust port, exhaust manifold, exhaust pipe, muffler, dan tail pipe. Komponen-komponen tersebut juga mempengaruhiback pressure yang terjadi pada suatu mesin diesel.

Pengukuran Back Pressure

Pengukuran back pressure pada mesin dapat dilakukan dengan menggunakan alat Exhaust back pressure gauge.

Alat ini terdiri dari pengukur tekanan (Pressure gauge) dan rubber hose yang berfungsi untuk meredam getaran dan panas yang dapat merusak sensor pada pressure gauge. Untuk data back pressure yang presisi pada putaran mesin antara 1000-4000 rpm dan tanpa beban, dibutuhkan pressure gauge yang memiliki skala 0-1 kg/cm² atau sama dengan15 psi. Adapun untuk pemasangan alatnya dapat dipasang pada sensor O2 atau pipa knalpot sebelum catalytic converter.Namun untuk pemasangan pada sensor O 2, dibutuhkan ketelitian dan kehati-hatian untuk mengurangi resiko kerusakan pada sensor.Sedangkan pada pipa knalpot, harus dibuat sebuah lubang kecil untuk memasang konektor.

Gambar 1. Exhaust Back Pressure Gauge pada Pipa Gas Buang Mesin Diesel Nanchang 2105 A-3

Adapun untuk data mesin diesel Nanchang 2105 A-3 adalah sebagai berikut:

Merek : Nanchang Tipe : 2105 A-3

Susunan Silinder : Segaris Jumlah Silinder : 2 silinder Langkah : 4 langkah Daya : 24 HP Putaran : 1500 rpm Diameter Silnder : 105 mm Langkah torak : 132 mm Volume silinder : 1171,09 cm3 Volume ruang bakar : 43,82 cm3 Rasio kompresi : 26,73

Pada penelitian ini, instalasi pipa gas buang Nanchang 2105 A-3 akan divariasikan menjadi 4 (empat) model pada putaran 900, 1050, dan 1200 rpm yang mana setiap model akan diukur nilai back pressure dan indikator prestasi mesin. Berikut model-model instalasi gas buang yang dimaksud.

(3)

Gambar 1: Instalasi gas buang model 1 a. Instalasi Gas Buang Model 1

Pada sistem gas buang model ini, instalasinya sesuai dengan yang dipergunakan sebagaimana pengoperasian yang biasanya dengan mengunakan 2 buah muffler masing-masing pada posisi vertikal dan horizontal, 2 buah belokan 90^O kemudian saluran air sebagai tempat pelepasan gas buang ke udara bebas. Total panjang pipa gas buang pada model ini yaitu 5,8 meter.

Gambar 2: Instalasi gas buang model 2 b. Instalasi gas buang model 2:

Pada instalasi seperti gambar di atas, penulis memotong pipa gas buang dalam hal ini tail pipe yang tersambung ke saluran pembuangan air. Panjang pipa gas buang pada model ini yaitu 4,1 meter dengan 2 buah muffler dan 2 buah belokan sudut 90^o.

Gambar 3: Instalasi gas buang model 3

c. Instalasi gas buang model 3:

(4)

Gambar 4: Instalasi gas buang model 4 d. Instalasi gas buang model 4:

Pada percobaan model keempat ini, fitting gas buang yaitu 2 buahmuffler, 2 buah belokan 90^o dan saluran pembuangan air ditiadakan . Sistem gas buang hanyalah pipa sepanjang 0.3 m yang terhubung dengan exhaust manifold.

Penyajian Data Hasil Percobaan

Percobaan dilakukan di Laboratorium Permesinan Kapal, Jurusan Perkapalan FT-UH.Pengambilan data dilakukan sebanyak 5 kali pada setiapa model dan putaran mesin untuk mendapatkan data yang lebih presisi.

Berikut adalah data yang diperoleh:

Tabel 1.Data hasil percobaan mesin

Instalasi Gas Buang Suhu Gas Buang (^oC) Waktu Pemakaian Bahan Bakar (s)

900 rpm 1050 rpm 1200 rpm 900 rpm 1050 rpm 1200 rpm

Model 1 89 122 145 33.616 26.376 22.028

Model 2 87 121 141 35.582 29.488 23.046

Model 3 84 120 140 36.334 30.262 25.3

Model 4 82 115.2 136 38.606 30.478 25.416

Instalasi Gas Buang Tekanan Kotak Udara (Pa) back Pressure (kg/cm2) 900 rpm 1050 rpm 1200 rpm 900 rpm 1050 rpm 1200 rpm

Model 1 8.2 13.2 24 0.03 0.13 0.15

Model 2 8.1 15.1 24 0.025 0.1 0.13

Model 3 8.2 15.2 24.3 0.0075 0.075 0.08

Model 4 8.3 15.9 25 0 0.04 0.03

Daya efektif (Ne)

Daya efektif dirumuskan sebagai parameter yang menunjukkan kinerja mesin dalam membangkitkan daya pada berbagai kondisi operasi yang diberikan. Adapun daya efektif dapat diketahui melalui beberapa persamaan berikut ( Tsuda, Koichi 2002).

Persamaannya adalah :

Ne = Pe .VL . a .n .z .

75 . 100 . 60

1

(1) dimana : Pe = tekanan efektif rata-rata (kg/cm²)

VL = volume langkah torak per silinder ( cm³) a = jumlah siklus per putaran

n = putaran poros engkol (rpm) z = jumlah silinder

(5)

Tekanan Gas Buang

Ialah tekanan udara yang keluar dari ruang bakar melalui katup buang. Untuk menghitung tekanan udara tersebut, dibutuhkan persamaan berikut:

P = ¹₂ ρ v² (2)

Dimana: ρ = Massa jenis udara V = Kecepatan gas buang Konsumsi Bahan Bakar (FC)

Adalah jumlah bahan bakar yang dikonsumsi oleh mesin per satuan waktu. Konsumsi bahan bakar dapat diketahui dengan cara menghitung waktu yang diperlukan untuk menghabiskan bahan bakar pada volume tertentu (Maleev, 1989)

Persamaannya adalah : FC= ^{Vbb . ρbb}

tbb (kg/s) (3)

Dimana :

Vbb = Volume bahan bakar (m³) ρbb = Massa jenis bahan bakar (kg/m³) tbb = Waktu pemakaian bahan bakar (detik) Konsumsi bahan Bakar Spesifik (SFC)

Konsumsi bahan bakar spesifik dinyatakan dalam jumlah bahan bakar yang dibutuhkan mesin dalam satuan waktu untuk menghasilkan daya sebesar 1 kW. Konsumsi bahan bakar spesifik (Specific fuel consumption) adalah ukuran nilai ekonomis suatu mesin dalam penggunaan bahan bakar (Maleev, 1989)

Persamaannya adalah : SFC= ^FC

Ne (kg/kW jam) (4)

dimana :

FC = Konsumsi bahan bakar (kg/jam) Ne = Daya efektif (kW)

Efisiensi volumetris (ηηηηvol )

Efisiensi volumetris adalah perbandingan antara jumlah udara yang terhisap sesungguhnya dengan jumlah yang diharapkan dapat mengisi silinder pada saat langkah isap (Maleev, 1989).

Persamaannya adalah :

ηvol = ^M^ac

M_th 100% (5)

dimana :

Mac = Konsumsi Udara Aktual (kg/h) Mth = Konsumsi Udara Teoritis (kg/h)

(6)

Tabel 4.2 Data Perhitungan Prestasi Mesin Diesel Nanchang 2105 A-3

Instalasi Daya Efektif (kW) Efisiensi Volumetris %

Gas Buang 900 rpm 1050 rpm 1200 rpm 900 rpm 1050 rpm 1200 rpm

Model 1 10,833 12,575 14,309 50,664 55.098 65.007

Model 2 10,837 12,577 14,322 50,354 58.930 65.007

Model 3 10,843 12,580 14,325 54.664 59.125 65.412

Model 4 10,847 12,590 14,339 55.972 60.471 66.348

Instalasi Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (kg/kW.h) Konsumsi Bahan Bakar (kg/s) Gas Buang 900 rpm 1050 rpm 1200 rpm 900 rpm 1050 rpm 1200 rpm Model 1 0.0656 0.0720 0.0758 0.000197 0.000251 0.000301 Model 2 0.0619 0.0644 0.0724 0.000186 0.000225 0.000288 Model 3 0.0606 0.0627 0.0659 0.000183 0.000219 0.000262 Model 4 0.0571 0.0622 0.0655 0.000172 0.000217 0.000261

BAHASAN Tekanan Balik

Dari hasil penelitian, menunjukkan back pressure maksimum yang dicapai adalah 0,15 kg/cm², yakni pada instalasi gas buang model 1, putaran mesin 1200 rpm, sementara pada putaran yang sama, nilai back pressure instalasi gas buang model 2 yaitu 0,13 kg/cm², model 3 yaitu 0,08 kg/cm² dan model 4 mencapai 0,03 kg/cm² . Secara keseluruhan, grafik hubungan antara putaran mesin dengan back pressure dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Gambar 5. Grafik Rpm v Back Pressure

Dari grafik tersebut, dapat dilihat bahwa mesin dengan instalasi gas buang model 1 memiliki nilai back pressure paling tinggi. Hal ini disebabkan instalasi gas buang model 1 lebih panjang dibandingkan model lainnya.

Demikan pula halnya dengan fitting pada model tersebut seperti jumlah muffler dan jumlah belokan yang lebih banyak sehingga menyebabkan tekanan balik ke ruang bakar lebih tinggi. Berbeda halnya dengan instalasi gas buang model 4 yang memiliki nilai back pressure paling rendah pada setiap variasi putaran mesin.Hal ini disebabkan gas buang dapat dengan mudah tersalurkan ke udara bebas tanpa melalui sistem penyaluran yang dapat menimbulkan tekanan balik yang lebih tinggi.

Untuk perbandingan tekanan antara gas buang yang keluar dari mesin dan gas buang yang kembali ke mesin, dapat dilihat pada grafik berikut:

Gambar 6. Grafik Rpm v Back Pressure dan Tekanan Gas Buang

(7)

Efisiensi Volumetris (ηvol)

Hasil penelitian menunjukkan efisiensi volumetris maksimum yang dicapai adalah pada instalasi gas buang model 4 pada tiap variasi putaran. Efisiensi volumetris instalasi gas buang model 4 pada putaran 1200 rpm mencapai 66,34 % , model 3 yaitu 65,41 % , sementara model 2 dan model 1 yaitu 65,01 %.

Gambar 7. Grafik Rpm v efisiensi volumetris

Back Pressure berkaitan erat dengan efisiensi volumetris yang menunujukkan perbandingan antara jumlah udara yang terisap sesunguhnya dengan jumlah yang diharapkan dapat mengisi ruang bakar pada proses pengisapan udara. Semakin rendah back pressure, maka efisiensi volumetris akan semakin meningkat disebabkan udara yang masuk ke ruang bakar lebih banyak. Perihal di atas diperkuat dengan nilai konsumsi udara aktual (Mac).

Konsumsi udara aktual (Mac) adalah jumlah udara yang terisap oleh mesin selama langkah pemasukan untuk bercampur dengan bahan bakar .Semakin tinggi konsumsi udara aktual yang masuk ke mesin, maka semakin tinggi pula efisiensi volumetrisnya.

Selain itu, putaran mesin yang semakin tinggi berakibat pada efisiensi volumetrik rata – rata yang dihasilkan juga semakin meningkat. Hal ini karena dengan putaran mesin yang tinggi, udara yang masuk ke ruang bakar bergerak lebih cepat akibat langkah piston yang juga bergerak dengan cepat, sehingga udara yang masuk ke ruang bakar akan lebih banyak dan begitu juga sebaliknya.

Daya Efektif (Ne)

Dari hasil penelitian, menunjukkan bahwa daya efektif yang paling besar adalah pada instalasi gas buang model 4 pada putaran 1200 rpm yakni mencapai 14,339 kW . Hal ini berkaitan erat dengan penurunan nilai tekanan balik yang terjadi pada kondisi yang sama, artinya jumlah udara yang mengisi ruang bakar pada saat langkah isap lebih banyak dan meningkatkan tekanan efektif rata-rata (Pe) sehingga menghasilkan daya yang lebih besar dibandingkan model lainnya pada putaran yang sama.

Hal ini berbanding terbalik dengan daya efektif yang dihasilkan oleh mesin pada instalasi gas buang model 1 dengan putaran sama. Daya efektif yang dihasilkan yaitu sebesar 14,309 kW . Jumlah campuran yang terisap lebih sedikit akibat tingginya back pressure yang mempengaruhi proses penyalaan dan pembakaran sehingga mempengaruhi power yang dihasilkan.

Adapun grafik keseluruhan pada percobaan ini, dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

(8)

Konsumsi Bahan Bakar (FC)

Berdasarkan hasil penelitian, diperoleh data bahwa konsumsi bahan bakar yang paling efisien adalah pada instalasi gas buang model 4 untuk setiap variasi putaran. Konsumsi bahan bakar pada model 4 putaran 1200 rpm yaitu 0,000261 kg/s, sedangkan berturut-berturut untuk model 3,2 dan 1 untuk putaran yang sama adalah 0,000262 kg/s, 0,000288 kg/s, 0,000301 kg/s.

Gambar 9. Rpm v Konsumsi Bahan Bakar

Pada grafik di atas ini, dapat diketahui bahwa konsumsi bahan bakar berbanding lurus dengan back pressure, artinya semakin rendah back pressure, semakin rendah pula konsumsi bahan bakar pada mesin.

Konsumsi bahan bakar erat pula kaitannya dengan faktor pencampuran udara (α), yang mana merupakan nilai yang menunjukkan perbandingan antara campuran udara-bahan bakar aktual (AFRact) dengan campuran udara- bahan bakar stoikiometrik. (Maleev,1989).

Berdasarkan persamaan di atas, jika nilai α semakin mendekati 1, maka semakin rendah pula pemakaian bahan bakar oleh karena jumlah campuran udara- bahan bakar akan semakin mendekati nilai stoikiometrik atau ideal sehingga proses pembakaran dapat berlangsung sempurna. Nilai α berturut-turut untuk model 1, 2, 3 dan 4 pada utaran 1200 rpm adalah 0.776, 0.8127, 0.897 dan 0.914.

Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (SFC)

Parameter prestasi motor bakar yang memperlihatkan perbandingan antara konsumsi bahan bakar dengan daya efektif yang dihasilkan tiap satuan waktu adalah adalah konsumsi bahan bakar spesifik (Specific Fuel Consumption). Hasil penelitian menunjukkan bahwa SFC yang paling rendah adalah pada instalasi gas buang model 4 dengan variasi 3 putaran yang berbeda. Pada putaran 1200 rpm, SFC model 4 adalah sebesar 0,0655 kg/kW.h, sedangkan SFC pada model 3,2 dan 1 berturut-turut adalah 0,0659 kg/kW.h, 0,0724 kg/kW.h dan 0,0758 kg/kW.h.

SFC yang tinggi menunjukkan konsumsi bahan bakar yang besar untuk menghasilkan daya pada mesin. Dari grafik di atas juga diketahui bahwa SFC berbanding lurus dengan back pressure. Semakin tinggi back pressure, maka semakin tinggi pula SFC pada mesin. Hal ini disebabkan oleh kebutuhan bahan bakar semakin meningkat seiring dengan kerja ekstra yang harus dilakukan oleh mesin untuk mendorong keluar udara atau gas buang yang bertekanan dan bertemperatur tinggi.

Sama halnya dengan konsumsi bahan bakar, SFC juga akan semakin efisien jika campuran udara-bahan bakar semakin mendekati kondisi stoikiometrik.

Gambar 10. Rpm v Konsumsi Bahan Bakar Spesifik

(9)

SIMPULAN

Dari pembahasan di atas, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Back pressure mesin diesel Nanchang 2105-A3 yang terbesar pada penelitian ini adalah 0,15 kg/cm² pada instalasi gas buang model 1 putaran 1200 rpm.

2. Dari hasil pengukuran back pressure dan perhitungan prestasi mesin, secara umum terjadi peningkatan performa mesin diesel Nanchang 2105 A-3 dengan instalasi gas buang model 4 -yang memiliki back pressure paling rendah- yang mana parameter prestasi mesin diesel mencapai nilai yang paling baik dan efisien dibandingkan pada model-model lainnya. Hal ini terjadi karena instalasi gas buang model 4 hanya terdiri dari pipa gas buang sepanjang 30 cm sehingga gas buang dapat tersalurkan dengan baik.

DAFTAR PUSTAKA

1. Arismunandar. Wiranto, Koichi Tsuda, (2002), Motor Diesel Putaran Tinggi, Pradnya Paramita, Jakarta 2. Rachmat K. Bahrun – chakimochmal J, Analisis Pengaruh Panjang dan Bentuk Saluran gas Buang

Terhadap Prestasi Motor Bensin, Lembaga Penelitian ITB, Bandung 1990/1991 3. Maleev V.L., Internal Combustion Engine 2 ^nd Edition, McGraw-Hill, USA, 1945 4. Engine Principles, Training material & Publication

5. Salli Padang, Densal, Analisis Kinerja Akibat Perubahan Muffler pada Mesin Diesel Nanchang, Universitas Hasanuddin, Makassar, 2006

6. Jauhar, Fikri., Kajian Teknis Peletakan Pipa Gas Buang di Bawah Air terhadap Back Pressure pada Kapal patroli FPB 57 KRI PANDRONG (801),Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya,2009

7. Hillier Victor, Coombes Peter, Fundamentals of motor vehicle technology 5^th edition,the institute of the motor industry, Nelson Thornes.Ltd, United Kingdom, 2004.

8. Slamet A.,Yonak H., Novak J.M., Khan M., The Effect of VehicleExhaust System Components on Flow Loses and Noise in Firing Spark-Ignition Engines, SAE International Techncal Papers, Pennsylvania,1995 9. Cummins., Exhaust System Guide

10. Peter Hield., The Effect of Back Pressure on theOperation of a Diesel Engine.,Maritime Platforms Division Defence Science and Technology Organisation, Australia.,2011

11. Jaussi, Francois, Critical effect of Filters on Engines and on Filters by Engines, Course on Ultrafine Diesel Particles and retrofit technologies for Diesel Engines, 2008

12. Domkundwar, V.M, Internal Combustion Engine, Dhampat Rai Co.Ltd, New Delhi, 2001

13. Waris, Abdul dan Abdul Rahman Amin, Analisis Pengaruh Perbandingan Udara dan Bahan Bakar terhadap Kinerja Motor Bakar, Universitas Hasanuddin, Makassar, 2002

14. Palidan, Daud dan Rombe Allo, Overhaul & Analisa Prestasi Engine Komatsu Model S6D95L-1 Excavator PC 150-3, Universitas Hasanuddin, Makassar, 2001

(10)