Kajian Analisa Simulasi Mesin Diesel Stasioner Satu Silinder Menggunakan Blower yang Dimodifikasi Menjadi Supercharger Dengan Sistem Dua Bahan Bakar (Solar dan Biogas)

(1)

KAJIAN ANALISA SIMULASI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN BLOWER YANG

DIMODIFIKASI MENJADI SUPERCHARGER

DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (SOLAR DAN BIOGAS)

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Oleh :

Teguh Iman Widodo (110401054)

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA M E D A N

(2)

ABSTRAK

Desain motor bakar haruslah semakin ringkas, ringan, kuat, dan fleksibel, namun harus semakin rendah polusi dan hemat bahan bakar. Tetapi, perhitungan analisa pada motor bakar bukanlah hal yang mudah sebab melibatkan dinamika fluida dari aliran reaksi turbulent pada bagian yang bergerak melalui silinder dan piston. Simulasikomputerisasi dinamika fluida merupakan alat yang sangat berguna untuk memahami berbagai proses yang terjadi pada fluida di dalam motor bakar. Simulasi dilakukan pada mesin diesel stasioner satu silinder menggunakan dua bahan bakar (solar dan biogas) dan supercharger pada kondisi putaran mesin 1000 rpm dan pembebanan 2500 watt. Kondisi simulasi dibatasi hanya pada ruang bakar mesin dan langkah kompresi hingga ekspansi. Hasil simulasi yang didapat berupa tampilan penyebaran tekanan, temperatur, dan kecepatan di ruang bakar pada sudut poros engkol 270º, 360º, 450º, dan 540º, serta grafik tekanan rata-rata vs sudut poros engkol, suhu rata-rata vs poros engkol, dan turbulen kinetik energi rata-rata vs sudut poros enkol. Dengan menganalisa data tersebut didapat nilai daya mesin sebesar 732,27 Watt, torsi mesin sebesar 6,996 Nm, dan efisiensi termal mesin sebesar 9,05 %.

(3)

ABSTRACT

Internal Combustion Engine should be more compact, light, strong, and flexible, yet more produce less pollutant and save more fuel. However, analytical calculation of internal combustion engine is not an easy problem caused involvement of fluid dynamic from turbulent reaction flow with moving parts troughcylinder and piston. Computerized fluid dynamic is an useful tool to understand various process of the fluid inside internal combustion engine. The simulation is conducted at single cylinder stationer diesel engine using two fuels (diesel-fuel and biogas) and supercharger on the condition of engine rotation speed 1000 rpm and 2500 watt of electric load. Simulation condition is limited on engine combustion chamber and compression to expansion step. Simulation result is visualizations of pressure, temperature, and velocity spread inside at crank angle of 270º, 360º, 450º, and 540º, also chart of average pressure vs crank angle, average temperature vs crack angle, and average turbulent kinetic energy vs crank angle. By analyzing those data resulted the value of engine power 732.27 watt, engine torque 6.996 Nm, and engine thermal efficiency 9.05%.

(4)

KATA PENGANTAR

Alhamdulilah, Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT Tuhan Semesta Alam, karena atas berkat izin serta limpahan rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan seluruh proses penulisan skripsi ini ini dengan baik. Shalawat beriringkan salam pun penulis haturkan kepada junjungan Nabi Besar Muhammad SAW, semoga mendapat syafaatnya di hari akhir kelak.

Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan untuk mencapai gelar sarjana di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Adapun yang menjadi judul skripsi ini yaitu “KAJIAN ANALISA SIMULASI MESIN DIESEL STASIONER SATU SILINDER MENGGUNAKAN BLOWER YANG DIMODIFIKASI MENJADI SUPERCHARGER DENGAN SISTEM DUA BAHAN BAKAR (SOLAR DAN BIOGAS)”

Selama penulisan skripsi ini, penulis juga banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada : 1. Alm. Ayahanda Ir. Refdi Panai, M.Si dan Ibunda Dr. Ir. Sukatik

Wirjosentono, M.Si selaku kedua Orang tua penulis, Ratih Paramitha dan Izmi Wardah Ammar selaku kakak dan adik permepuan, Pakde Basuki Wirjosentono, M.S., Ph.D selaku paman serta seluruh keluarga besar penulis yang selalu mendukung secara moril ataupun materil, serta terus mendoakan penulis sejak mulai kuliah hingga menyelesaikan tugas sarjana ini.

2. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST. MT selaku dosen pembimbing, yang bersedia meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan serta masukan dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

3. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin USU yang memberikan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

4. Seluruh Dosen dan Pegawai Departemen Teknik Mesin USU.

(5)

6. Kawan-kawan satu tim skripsi Ramadhan Hutagaol, Muhammad Rizki Agustama, Imam Syaifullah yang saling memberi semangat satu sama lain meskipun kadang ada salah paham tapi tetap kompak terus hingga bisa menyelesaikan tugas sarjana ini.

7. Tarmizi Taher, Budi Ari S, Sakinah Rahmi, Muhammad Reza Zulkarnain, serta seluruh kawan – kawan stambuk 2011 yang tidak bisa disebutkan satu-persatu yang selalu menemani dan memberikan masukan serta semangat kepada penulis.

8. Bang Irvan Aspidar, Abang-abang stambuk 2009, 2010 dan Semua adek-adek di Teknik Mesin USU yang telah banyak memberikan doa serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan tugas sarjana ini.

9. Atman Lukcy Fernandes, Bobby Prasetia Adiguna, Jul Aulia Rahman, Miftahur Rizki Habiburahman, Mumammad Arya Hasibuan, dan Sepnovandri Amar, teman masa kecil saya yang hingga kini tetap saling mendukung dan mengingatkan.

10. Teman-teman saya di komunitas Duelist Medan, Akard, dan Akamaru yang menjadi tempat untuk melupakan penat sesaat dan juga teman bercanda bagi penulis.

Penulis menyadari bahwa masih banyak kekurang sempurnaan dan kekeliruan dalam penulisan skripsi ini. Oleh karena itu penulis akan sangat berterima kasih dan dengan senang hati menerima saran dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.

Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca. Terima kasih.

Medan, Oktober 2016 Penulis

(6)

DAFTAR ISI

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ...1

1.2 Tujuan Pengujian ...2

1.3 Batasan Masalah ...2

1.4 Manfaat Pengujian ...3

1.5 Metodologi Penelitian ...3

1.6 Sistemetika Penulisan ...4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Motor Bakar (Internal Combustion Engine) ...5

2.1.1 Sejarah Motor Bakar ...6

2.2 Motor Bakar Diesel ...6

2.2.1 Sejarah Motor Bakar Diesel ...7

2.2.2 Prinsip Kerja Motor Bakar Diesel ...9

2.2.3 Perbandingan dengan Mesin Otto ...10

2.3 Bahan Bakar Mesin Diesel (Solar) ...11

2.3.1 Karakteristik Bahan Bakar Diesel (Solar) ...11

2.3.2 Jenis-Jenis Bahan Bakar Diesel ...15

2.4 Biogas ...16

2.4.1 Biogas Limbah Kelapa Sawit ...19

2.5 Dual Fuel System ...22

2.6 Peformasi Mesin ...24

2.6.1 Nilai Kalor Bahan Bakar ...24

2.6.2 Daya Poros ...26

(7)

2.6.4 Efisiensi Termal ...27

2.7 Computational Fluid Dynamics (CFD) ...27

2.7.1 Penggunaan CFD ...28

2.7.2 Manfaat CFD...28

2.7.3 Metode Diskritisasi CFD ...28

2.8 Persamaan Pembentuk Aliran (Governing Equation) ...30

2.8.1 Hukum Kekekalan Massa ...30

2.8.2 Hukum Konservasi dari Momentum ...32

2.8.3 Hukum Konservasi Energi ...38

2.9 Pendekatan Model Viskositas Turbulen Eddy ...44

2.10 k− ε Two-Equation Model (Launder-Sharma) ...44

2.10.1 Persamaan Model ...44

2.10.2 Konstanta dan Parameter Model ...44

BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat ...45

3.2 Peralatan ...45

3.2.1 Perangkat Lunak ...45

3.2.2 Perangkat Keras.... ...46

3.3 Objek Penelitian ...48

3.4 Diagram Penelitian ...48

3.5 Persiapan Perhutngan Simulasi ...51

3.5.1 Penggambaran Geometri 3D ...52

3.5.2 Pemecaham Geometri ...52

3.5.3 Pembentukan Mesh ...54

3.5.4 Persiapan Kondisi dan Metode Perhitungan ...55

3.5.5 Perhitungan Simulasi ...58

3.5.6 Pengolahan Hasil Perhitungan ...58

BAB IV ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Perhitungan Simulasi ...59

4.1.1 Penyebaran Tekanan ...59

4.1.2 Penyebaran Temperatur ...64

(8)

4.2 Perbandingan dengan Hasil Eksperimen ...72

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ...78

5.2 Saran ...78

DAFTAR PUSTAKA ...xii

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram dari Sebuah Silinder pada Mesin Bensin Empat Tak ...5

Gambar 2.2 Mesin Diesel yang Dibuat oleh MAN AG Tahun 1906 ...7

Gambar 2.3 Mesin Asli yang Dibuat Diesel Tahun 1897, Dipajang di Museum Jerman di Munich, Jerman ...8

Gambar 2.4 Siklus Mesin Diesel ...9

Gambar 2.5 Gambaran Tampilan Susunan Molekul Bahan Bakar Diesel ...11

Gambar 2.6 Stasiun Produksi Biogas di Pedesaan Jerman ...16

Gambar 2.7 Bus Berbahan Bakar Biogas di Linkoping, Swedia ...17

Gambar 2.8 Biogas Pabrik Kelapa Sawit ...19

Gambar 2.9 Mesin dengan Sistem Dua Bahan Bakar ...24

Gambar 2.10 Skema Operasi Dynamometer ...26

Gambar 2.11 Sebuah Element Fluida Kekekalan Massa Dalam 2 Dimensi ....30

Gambar 2.12 Elemen Konservasi Massa Fluida pada Bidang 3 Dimensi ...31

Gambar 2.13 Suatu Elemen Fluida pada Konservasi Momentum dalam Kasus Dua Dimensi ...33

Gambar 2.14 Sebuah Momentum Elemen Fluida Konservasi Dalam Kasus Tiga Dimensi ...34

Gambar 2.15 Usaha yang Dihasilkan oleh Gaya pada Sumbu X ...38

Gambar 2.16 Aliran Panas di Permukaan Elemen Fluida ...40

Gambar 3.1 Trade Mark SolidWork 2014 ...49

Gambar 3.2 Trade Mark Ansys Workbench 15.0 ...50

Gambar 3.3 Foto Dua Koputer yang Digunakam...51

Gambar 3.4 Tiger Diesel Engine Single-Cylinder R175AN ...52

Gambar 3.5 Diagaram Alur Penelitian ...53

Gambar 3.6 Alur Proses Persiapan Simulasi ...55

Gambar 3.7 Geometri 3D dengan Tampilan Hidden Line Visible ...56

Gambar 3.8 Ansys Internal Combustion Engine Simulation Properties ...56

Gambar 3.9 Geometri yang sudah di-import ke Ansys Design Modoler ...57

Gambar 3.10 Geometri yang sudah dipecah (decompose) ...57

(10)

Gambar 3.12 Mesh pada Pandangan Potongan ...58

Gambar 3.13 Data Ijeksi Bahan Bakar Solar ...59

Gambar 3.14 Kondisi Frakasi Massa Tiap Senyawa dan Unsur ...61

Gambar 4.1 Penyebaran Tekanan di Sudut 270º ...64

Gambar 4.5 Grafik Tekanan Rata-Rata vs Crank Angle ...66

Gambar 4.6 Diagram Posisi Piston Terhadap Sudut Poros Engkol ...67

Gambar 4.7 Grafik Tekanan vs Volume Ruang Bakar ...68

Gambar 4.8 Penyebaran Temperatur di Sudut 270º ...69

Gambar 4.12 Grafik Temperatur Rata-Rata vs Crank Angle ...71

Gambar 4.13 Penyebaran Vector Kecepatan di Sudut 270º ...72

Gambar 4.17 Penyebaran Streamline Kecepatan di Sudut 270º...74

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Spesifikasi Solar Pertamina ...12

Tabel 2.2 Komposisi Biogas ...17

Tabel 2.3 Sifat Biogas yang Mudah Terbakar ...18

Tabel 2.4 Nilai LHV Biogas Tiap % CH4 yang Dikandungya ...18

Tabel 3.1 Spesifikasi Komputer untuk Menggambar ...51

Tabel 3.2 Spesifikasi Komputer untuk Simulasi ...51

Tabel 3.3 Daftar Boundary Layer yang Dimasukkan ke Fluent ...62

Tabel 4.1 Data Perhitungan Bilangan Reynold Turbulen...77

Tabel 4.2 Hasil Perhitungan Daya untuk Bahan Bakar Solar + Biogas 2 l/min ...79

Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Torsi untuk Bahan Bakar Solar + Biogas 2 l/min ...80

(12)

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

HHV Nilai Kalor Atas J

LHV Nilai Kalor Bawah J

P_B Daya Poros Watt

T Torsi Mesin N m

n Kecepatan Putaran Mesin rpm

ηth Efiiensi Thermal %

u Kecepatan Terhadap Sumbu-x m/s

v Kecepatan Terhadap Sumbu-y m/s

w Kecepatan Terhadap Sumbu-z m/s

v Resultan Kecepatan m/s

ρ Massa Jenis kg/m3

F_x Gaya Terhadap Sumbu-x N

a_x Percepatan Terhadap Sumbu-x m/s2

p Tekanan Statis Pa

σx Tegangan Fluida Terhadap Sumbu-x N/m2

σy Tegangan Fluida Terhadap Sumbu-y N/m2

σz Tegangan Fluida Terhadap Sumbu-z N/m2

μ Viskositas Pa s

k Energi Kinetik Turbulen J/kg