ASSALAMU ALAIKUM, WR, WB.

(1)

ASSALAMU’ALAIKUM, WR, WB.

By :

Hendra Septiawan (4209100501)

Dosen Pembimbing :

Semin Sanuri., ST, MT, Ph.D., , , Ir. Aguk Zuhdi M.F., M.Eng, Ph.D.

Marine Engineering Dept ITS

(2)

ANALISA TEGANGAN PISTON AKIBAT

PENGURANGAN TEBAL PISTON HEAD PADA

KONVERSI MESIN DIESEL MENJADI MESIN

BAHAN BAKAR GAS

By :

Hendra Septiawan (4209100501)

Dosen Pembimbing :

Semin Sanuri., ST, MT, Ph.D., , , Ir. Aguk Zuhdi M.F., M.Eng, Ph.D.

(3)

LATAR BELAKANG

Perkembangan teknologi bahan bakar sangatlah

signifikan. Salah satu bahan bakar yang mulai

dilirik pada bidang otomotif adalah CNG Namun

dilirik pada bidang otomotif adalah CNG. Namun

untuk mesin yang dikonversi menjadi bahan bakar

CNG perlu dilakukan modifikasi pada mesin salah

CNG perlu dilakukan modifikasi pada mesin, salah

satunya adalah memodifikasi piston. Dengan

demikian akan mempengaruhi tegangan yang

terjadi pada piston. Penulisan dilakukan untuk

menganalisa tegangan piston dan distribusi

thermal yang terjadi pada piston.

(4)

PERUMUSAN MASALAH

1 Bagaimana tegangan yang terjadi pada piston akibat

1. Bagaimana tegangan yang terjadi pada piston akibat pengurangan ketebalan piston head dengan berbagai macam variasi compression ratio?

macam variasi compression ratio?

2. Bagaimana distribusi temperature yang terjadi pada piston?

3. Apakakah piston mampu menahan tekanan silinderp p p akibat pemotongan pada piston head?

(5)

BATASAN MASALAH

1 Tidak membahas proses pembakaran yang terjadi pada

1. Tidak membahas proses pembakaran yang terjadi pada ruang bakar.

2 Tid k b h d t il i l i f i

2. Tidak membahas secara detail simulasi performa mesin.

3. Variasi compression ratio yaitu pada 10, 13, 15, 17, 19 dan 20.28 saja.

4. Tidak membahas pengaruh variasi compression ratio terhadap performa mesin.

(6)

Tujuan Penulisan

1 Mengetahui tegangan yang terjadi pada piston akibat

1. Mengetahui tegangan yang terjadi pada piston akibat tekanan yang terjadi akibat pembakaran pada ruang bakar

bakar.

2. Mengetahui distribusi temperatur yang terjadi pada i t

piston.

3. Mengetahui apakah piston dapat menerima beban yang diberikan akibat konversi bahan bakar diesel menjadi CNG tersebut.

(7)

Tinjauan Pustaka

1 Gudimetal & Gopinath (2009)

1. Gudimetal & Gopinath (2009)

“Finite Element Analysis of Reverse Engineered Internal

C

b ti

E i

Pi t ”

Combustion Engine Piston”.

2. Morel, dkk (1990)

“Detailed Analysis of Heat Flow Pattern in Piston”.

(8)

DASAR TEORI

(9)

Compressed Natural Gas

(CNG)

CNG merupakan gas alam yang dikompresi dan dapat

di i d l b j CNG b hk l

disimpan dalam suatu bejana. CNG membutuhkan volume bejana yang lebih besar untuk mendapatkan massa yang sama terhadap gas alam dan menggunakan tekanan tinggi sama terhadap gas alam dan menggunakan tekanan tinggi sekitar 200 bar atau 2900 psi (

Poulton, 1994

).

(10)

Mesin Diesel

Motor diesel mempunyai banyak keunggulan antara lain Motor diesel mempunyai banyak keunggulan antara lain mempunyai tingkat efisiensi yang tinggi dengan tingkat pemakaian bahan bakar relatif rendah (

Harington 1992

)

pemakaian bahan bakar relatif rendah (

Harington,1992

).

Dalam motor diesel bahan bakar diinjeksikan ke dalam

ili d b i i d b t k ti i S l

silinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama kompresi udara dalam silinder mesin maka suhu udara

i k t hi k tik b h b k d l b t k

meningkat, sehingga ketika bahan bakar dalam bentuk kabut halus, bersinggungan dengan udara panas ini, akan menyala dan tidak dibutuhkan alat penyalaan dari luar menyala, dan tidak dibutuhkan alat penyalaan dari luar. Karena alasan ini maka motor diesel disebut juga motor penyalaan kompresi

(11)

Elemen Hingga (Finite Element)

Finite Element merupakan pusat untuk menampilkan Finite Element merupakan pusat untuk menampilkan analisa teknik dari suatu model menggunakan computer. Finite element method memecahkan masalah ini dengan Finite element method memecahkan masalah ini dengan membagi model yang kompleks menjadi sebuah group dari elemen hingga (finite element) Element dari model finite elemen hingga (finite element). Element dari model finite element memiliki bentuk geometri yang umum seperti rectangles triangles dan tetrahedral

rectangles, triangles dan tetrahedral.

(12)

(13)

Load dan Boundry Conditon

Masing masing pembebanan pada model berbeda beda Masing-masing pembebanan pada model berbeda-beda. Seperti sebuah kantilever yang dipasang di dinding, sebuah pelat yang ditumpu maka yang demikian merupakan pelat yang ditumpu, maka yang demikian merupakan kondisi batas (

boundry condition

)

(14)

Load dan Boundry Conditon

Pelat dicekam

Pelat diberi b b

(15)

Perindahan Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untuk Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untuk meramalkan energi yang terjadi karena adanya perbedaan suhu diantara benda atau material (

Holman J P 1986

) suhu diantara benda atau material (

Holman J.P, 1986

). Ilmu ini dapat digunakan untuk meramalkan energi yang diperlukan untuk mengubah sistem dalam keadaan diperlukan untuk mengubah sistem dalam keadaan seimbang ke keadaan seimbang lain, tetapi tidak dapat meramalkan kecepatan perpindahan itu

meramalkan kecepatan perpindahan itu.

(16)

Perindahan Kalor Konveksi

Sudah umum diketahui bahwa plat logam panas akan Sudah umum diketahui bahwa plat logam panas akan menjadi dingin lebih cepat bila ditaruh didepan kipas angin dibandingkan bilamana ditempatkan di udara tenang Kita dibandingkan bilamana ditempatkan di udara tenang. Kita katakan bahwa kalor dikonveksi atau dipindahkan ke luar, dan proses ini dinamakan

perpindahan kalor secara

dan proses ini dinamakan

perpindahan kalor secara

konveksi.

(17)

METODOLOGI

(18)

(19)

Data Mesin

Item Unit

Combustion System Direct injection system

Type Single cylinder, vertical-4 cycle air cooled d l yp diesel Number of cylinder 1 Bore mm 86 St k 70 Stroke mm 70 Displacement mm 0.406 Output kW (HP) 6.6 (9.0) 7 4 (10 0) (HP) _{7.4 (10.0)} Compression ratio 20.28

Speed (PTO Shaft) RPM 3800 1800 3600 1800 max : 3800 1900 3800 1900 Speed at no load RPM max : 3800 1900 3800 1900 min : 1200 600 1200 600 Sumber : YANMAR Service Manual 2003

(20)

Piston

(21)

ANALISA DAN

PEMBAHASAN

(22)

Definisi Umum

Analisa dilakukan dengan cara memvariasikan compression ratio (CR) Analisa dilakukan dengan cara memvariasikan compression ratio (CR) engine. Mulai dari 10, 13, 15, 17, 19 dan 20.28. Dari kondisi ini maka torsi, pressure dan distribusi thermal akan bervariasi. Kemudian dilakukan analisa tegangan (stress) yang terjadi pada piston. Untuk mengetahui tegangan yang terjadi dapat diterima oleh piston yaitu dengan parameter tegangan ijin

dengan parameter tegangan ijin.

) y leleh(σ tegangan ) iji ijin(σ Tegangan = σy = 505 Mpa ) keamanan(n faktor ) ijin ijin(σ Tegangan MPa 5 252 505 σ = = n = 2 MPa 5 , 252 2 ijin σ = =

(23)

Jenis Volume pada Piston

(24)

Untuk menghitung CR, yaitu :

Inputan Data

Clearence hole Clearence hole stroke V V V V V CR + + + =

CR Tclear. Tcut Vstroke Vhole Vclear. Stroke

20.28 0.70 - 406285.44 17006.82 4062.85 70.00 19 1.05 0.35 406285.44 16432.98 6094.28 69.65 17 1.70 1.00 406285.44 15349.92 9866.93 69.00 15 2.48 1.78 406285.44 14401.70 14394.11 68.22 13 3.53 2.83 406285.44 13237.86 20488.39 67.17

(25)

Mechanical Properties Duralaluminium :

Inputan Data

Mechanical Properties Duralaluminium :

Density 2600-2800 kg/m3

Melting Point 660 °C

Analisa Struktur

g

Elastic Modulus 70-79 GPa Poisson's Ratio 0.33

Tensile Strength 230 570 MPa

Analisa Struktur Analisa Struktur

Tensile Strength 230-570 MPa Yield Strength 215-505 MPa Percent Elongation 10-25%

Analisa Struktur & Termal

A T

(26)

Inputan Data

CR Tekanan Maksimal (bar) Tekanan Maksimal (N/mm2₎ CR Temp. Head (O_C) Temp. max (O_C) Heat Transfer (W/mm2₎ 20 28 317 85 1750 201 20.28 86.64 8.664 19 81.21 8.121 17 72.83 7.283 20.28 317.85 1750 201 19 317.85 1750 193 17 317.85 1790 180 15 64.51 6.451 13 56.32 5.632 10 44.13 4.413 15 317.85 1820 167 13 317.85 1850 154 10 317.85 1910 132

Data untuk Analisa

(27)

Meshing dan Boundry Condition

Untuk Analisa Struktur

Memesukkan Pressure d M d l

pada Model

Piston dicekam pada Lubang Piston pin

Elemen tipe Tetrahedral dengan rasio 0.3

(28)

Hasil Siulasi Untuk Analisa

Struktur

339 N/mm2

Tegangan terbesar terjadi pada daerah lubang piston pin

(29)

Data Tegangan Hasil Analisa

Struktur

Tekanan Tekanan Stress (N/mm

2₎ CR Tekanan Maksimal (bar) Tekanan Maksimal (N/mm2₎ Tegangan ijin (N/mm2₎ Max. Min. 20.28 86.64 8.664 339 0.0539 420.8 19 81 21 8 121 308 0 0656 420 8 19 81.21 8.121 308 0.0656 420.8 17 72.83 7.283 304 0.0624 420.8 15 64 51 6 451 266 0 065 420 8 15 64.51 6.451 266 0.065 420.8 13 56.32 5.632 221 0.0564 420.8 10 44.13 4.413 171 0.0445 420.8

(30)

Data Tegangan Hasil Analisa

Struktur

Dari data diatas, maka dapat diketahui bahwa pada CR 13 dan 10 tekanan yang terjadi pada cylinder masih dapat

Struktur

dan 10 tekanan yang terjadi pada cylinder masih dapat diterima oleh piston. Karena tegangan yang terjadi masih lebih kecil dari tegangan ijin. Dengan demikian modifikasig g j g piston yang dapat diaplikasikan pada mesin diesel yang dikonversi menjadi mesin berbahan bakar gas yaitu pada

i ti 13 d 10 compression ratio 13 dan 10.

(31)

Meshing dan Boundry Condition

Untuk Analisa Struktur

Memesukkan Temperatur (o_{C) d} _{H t (W/} 2₎ Heat Convection pada

(o_{C) dan Heat (W/mm}2₎ p

daerah ring piston dan skirt piston

Elemen tipe Tetrahedral dengan rasio 0.3

(32)

Meshing dan Boundry Condition

Untuk Analisa Struktur

1750 o_C

Untuk Analisa Struktur

Temperatur terbesar pada piston head

(33)

Data Tegangan Hasil Analisa

Termal

Distr. Temp.(o_C) _{Heat Flux (W/mm}2₎

CR Distr. Temp.( C) Heat Flux (W/mm )

max min max min

20 28 1750 1740 1 45 2 06 x10‐4 20.28 1750 1740 1.45 2.06 x10 4 19 1750 1740 1.47 2.15 x10‐4 17 1790 1780 1 49 2 45 10 4 17 1790 1780 1.49 2.45 x10‐4 15 1820 1810 1.46 6.96 x10‐7 13 1850 1840 1.48 1.17 x10‐5 10 1910 1900 1.51 6.07 x10‐6

(34)

Data Tegangan Hasil Analisa

Termal

Dari data-data diatas dapat diketahui, bahwa distribusi temperature yang paling besar terdapat pada CR 10

Termal

temperature yang paling besar terdapat pada CR 10 dengan temperature maksimal 1910o_{C dan heat flux paling}

(35)

KESIMPULAN DAN SARAN

(36)

Kesimpulan

1. Tegangan yang terjadi pada piston terbeser pada CR 20.28

yaitu 339 N/mm2 _{yang terletak di daerah sekitar lubang}

i t i K t k ili d t b d CR t b t

piston pin. Karena tekanan silinder terbesar pada CR tersebut yaitu 8.664 bar. Perubahan tegangan menurun secara gradual seiring dengan pemotongan piston

seiring dengan pemotongan piston.

2. Distribusi temperature terbesar yaitu pada CR 10 yaitu

d t t 1910o_{C k} _{d CR t} _{b t b h}

dengan temperature 1910o_{C, karena pada CR tersebut bahan} bakar dan udara yang disemprotkan lebih banyak. Sedangkan

distribusi temperatur yang terkecil pada CR 20 28 yaitu

distribusi temperatur yang terkecil pada CR 20.28 yaitu

(37)

Kesimpulan (Cont.)

3. Tegangan pada CR 10 dan 13 masih dapat diterima oleh

piston, karena tegangan maksimal lebih kecil dari tegangan ijin. Tegangan pada CR 10 dan 13 yaitu 171 dan 221 N/mm2_, sedangkan tegangan ijin yaitu 252.2 N/mm2_.

(38)

Saran

1. Penulisan hanya menganalisa tegangan (

stress

) dan distribusi temperature, diharapkan pada penulisan setelahnya dapat menghitung tegangangan termal setelahnya dapat menghitung tegangangan termal (

thermal stress

) pada piston.

2 Pengaruh performa akibat pemotongan piston tidak

2. Pengaruh performa akibat pemotongan piston tidak diperhitungkan dalam penulisan ini, diharapkan untuk selanjutnya dapat dianalisa pula pengaruh performaj y p p p g p mesin terhadap pemotongan piston head.

(39)

Saran

3. Diharapkan untuk penulisan selanjutnya dapa menghitung tinjauan ekonomis akibat konversi mesin diesel menjadi mesin berbahan bakar gas ini

diesel menjadi mesin berbahan bakar gas ini.

4. Pemotongan yang dilakukan pada piston head untuk memperbesar compression ratio akan merubah tinggi memperbesar compression ratio akan merubah tinggi clearance silinder, dengan demikian diharapkan penulisan selanjutnya hanya memperbesar swirl piston

p j y y p p

saja, sehingga tinggi clearance silinder tidak berubah.

(40)