Flywheel (roda gila) merupakan komponen dari mesin yang mampu menyimpan energi kinetik dari gerak rotasi poros engkol dan bertujuan untuk menghasilkan putaran mesin yang stabil. Flywheel atau roda gila dihubungkan pada ujung poros engkol sebuah mesin yang menerima tenaga putar dari piston selama langkah usaha, yang kemudian akan berkurang akibat langkah-langkah lain, inertia loss, dan juga akibat gesekan. Flywheel berfungsi sebagai suatu lumbung penyimpanan energi, yang mana menyimpan energi saat suplai melebihi kebutuhan dan melepaskannya saat suplai lebih kecil dari kebutuhan yang mana juga berguna sebagai kontrol dari terjadinya suatu fluktuasi kecepatan dan mampu mebuat crankshaft berputar secara kontinyu dan terus menerus dan mengakibatkan mesin beroperasi dengan lembut. Urutan pembakaran yang terjadi pada mesin bersilinder jamak disebut sebagai firing order. Pengaturan firing order adalah berdasar dari jumlah silinder pada mesin tersebut dan juga bentuk dari crankshaft mesin yang bersangkutan. Pengaturan firing order dirancang dengan tujuan meminimalisasi Engine Vibration dan Development of back pressure.
Kata kunci : Firing Order, fluktuasi kecepatan, flywheel, inersia.
I. PENDAHULUAN
Berbagai macam jenis mesin digunakan pada ranah teknik permesinan, dimana pada mesin-mesin tersebut sumber energi digunakan dan dikonversikan menjadi kerja yang berguna. Pada beberapa jenis mesin, saat proses kerja berlangsung, fluktuasi energi sering terjadi yang mana menyebabkan fluktuasi pada kecepatan mesin tersebut [1].
Flywheel, atau dalam bahasa Indonesia sering disebut sebagai roda gila, digunakan dengan tujuan sebagai suatu lumbung penyimpanan energi, yang mana menyimpan energi saat suplai melebihi kebutuhan dan melepaskannya saat suplai lebih kecil dari kebutuhan. Flywheel ini juga berguna sebagai kontrol dari terjadinya suatu fluktuasi kecepatan.
Mengacu pada kemampuan flywheel untuk menyimpan energi kinetik dari proses rotasi poros engkol, ketidakstabilan putaran crankshaft hampir selalu terjadi. Hal ini dikarenakan kemampuan crankshaft untuk merubah gerak translasi dari sebuah piston menjadi gerak rotasi poros juga mengalami akselerasi sewaktu proses pembakaran dalam silinder liner terjadi. Daya pembakaran yang dihasilkan saat langkah usaha terjadi, disimpan dalam bentuk momen inersia untuk mengcover langkah-langkah selanjutnya yang berlangsung [2]. Energi kinetik pada flywheel dapat ditingkatkan berdasarkan dua variabel, yaitu menambah massa flywheel dan juga mempercepat putaran flywheel itu sendiri. Media
penyimpanan energi seperti flywheel lebih dipengaruhi kecepatan putaran daripada massanya. Namun dalam putaran yang sangat tinggi, metal flywheel dapat rusak dengan sendirinya akibat adanya tegangan geser yang berlebih [3].
Dalam mesin bersilinder jamak dikenal istilah firing orer, yaitu urutan terjadinya proses pembakaran dari tiap silinder. Firing order berguna untuk menyelaraskan dan mengoptimalkan langkah kerja yang berlangsung ditiap-tiap silinder. Dengan proses pembakaran yang bergantian dari masing-masing silinder, maka ketidakselarasan yang mengakibatkan getaran yang berlebih pada mesin dapat berkurang [7].
Dan diharapkan dengan analisa pengaruh flywheel dan firing order terhadap proses kerja mesin diesel, dapat diperoleh parameter-parameter yang sesuai untuk diaplikasikan pada mesin diesel reserve engineering.
II. METODOLOGI PENELITIAN A. Membongkar dan Mengidentifikasi Mesin
Proses pembongkaran dan pengidentifikasian mesin diesel dilakukan untuk mengetahui bentuk dan dimensi dari flywheel. Pembongkaran dilakukan dengan proses melepas tiap-tiap komponen dari casingnya. Setelah flywheel dilepas, kemudian dilakukakan proses pengidentifikasian dan pengukuran. Pengukuran dimensi flywheel dilakukan dengan meteran karena dimensinya yang besar dan juga dengan menggunakan jangka sorong.
Beberapa data dari motor diesel yang akan diteliti juga dikumpulkan melalui buku panduan yang tersedia. Data yang bisa dicari dari manual book adalah ukuran utama dari motor diesel seperti bore, stroke, serta data lain seperti compression ratio.
Tabel 1. Tabel data awal motor diesel
Merek
Cummins
Model
4BTA3.9-M125
Power
125 bhp pada 2200 rpm
Bore x Stroke
102 mm x 120 mm
Jumlah silinder
4
Firing order
1-3-4-2
Displacement
3.9 liter
Torsi maksimum
475 Nm pada 1500 rpm
Rasio kompresi
1 : 16.5
Tekanan kompresi
128.5 bar
Analisa Pengaruh Flywheel dan Firing Order
Terhadap Proses Kerja Mesin Diesel
Adin Putra Rachmawan, I Made Ariana, Indrajaya Gerianto
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
Tekanan kompresi maks.
68.5 bar
(sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification)
B. Pengambilan Data Flywheel
Pengambilan data dari flywheel yang utamanya adalah berat dan juga diameternya. Namun lebih dari itu juga dilakukan pengukuran detail-detail dari geometri flywheel yang ditujukan untuk proses drawing nantinya.
Berikut gambar flywheel dan hasil pengukuran yang dilakukan
Gambar 1. Flywheel Tabel 2. Tabel dimensi flywheel
Diameter dalam (A)
70 mm
Diameter luar (B)
410 mm
Berat
23.4 kg
C. Perhitungan dan Analisa Flywheel
Proses perhitungan dan analisa flywheel dilakukan dengan data pengukuran dari proses sebelumnya. Dengan berbagai parameter yang didapat tersebut, penyelesaian proses perhitungan dilakukan dengan rumusan-rumusan yang sudah ada sebelumnya yang didapatkan dari buku, paper, e-book, dan juga bantuan dari dosen pembimbing.
Analisa flywheel juga menyangkut tentang jenis material yang dipakai sebagai bahan pembuatan flywheel ini. Material yang bersangkutan disertai dengan tabel data mechanical properties dan chemical composition.
Berikut jenis material flywheel berserta tabel data mechanical properties dan chemical composition.
Material : Cast Iron Grade : DD 11
Standard : EN 10111 : 2008
Low carbon steel sheet and strip for colding Classification : Steel
Tabel 3. Tabel chemical composition
Unsur
%
C
Max. 0.12
Mn
Max. 0.6
P
Max. 0.045
S
Max. 0.045
Tabel 4. Tabel mechanical properties
Rm – Tensile strength
440 Mpa
ReH – Min. yield strength
170 – 360 MPa
A – Min. elongation
28 %
D. Penggambaran Desain Flywheel
Proses penggambaran dilakukan apabila hasil perhitungan sudah memenuhi. Proses redesain ini mengacu pada hasil hitungan apakah sudah sesuai dengan gaya-gaya yang bekerja pada flywheel tersebut.
Gambar 2. Flywheel hasil penggambaran
III. ANALISA DATA A. Analisa Flywheel
Analisa kali ini dilakukan berdasarkan data-data yang terdapat pada mesin seperti yang ditampilkan pada informasi berikut.
Gambar 3. Grafik rpm vs torsi
Rpm Torsi (Nm) 800 298 1000 386 1200 445 1400 470 1500 475 1600 472 B A
1700 465
1800 454
1900 445
2000 433
2200 404
(sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification)
Gambar 4. Grafik rpm vs daya
Rpm Daya (kW) 800 25 1000 40 1200 56 1400 69 1500 75 1600 79 1700 83 1800 86 1900 88 2000 91 2200 93
(sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification)
1). Perhitungan kondisi iddle Rpm 800 rpm Input parameter
π 3.14
i 0.5 (untuk mesin 4 langkah)
L 120 mm = 0.12 m
A 8167.14 mm2 = 0.816m2
Rpm 800 Rps 13.33333
T 298 Nm (pada 800 rpm)
Z 4 (jumlah silinder)
- Daya perhitungan berdasarkan torsi pada 800 rpm P = 2 π x Rps x T
= 2 x 3.14 x 13.33 x 298 24952.53 watts
24.95 kW
- Daya pada engine
P = I x MEP x L x A x z x Rps
24.95 = 0.5 x MEP x 0.12 x 0.817 x 4 x 13.33 MEP = 24.95 / (0.5 x 0.12 x 0.817 x 4 x 13.33)
MEP 9.54761 bar
954.761 kPa
2). Perhitungan kondisi maksimum Rpm 2200 rpm Input parameter
π 3.14
i 0.5 (untuk mesin 4 langkah)
L 120 mm = 0.12 m
A 8167.14 mm2 = 0.816714 m2
Rpm 2200 Rps 36.66667
T 404 Nm (pada 2200 rpm)
Z 4 (jumlah silinder)
- Daya perhitungan berdasarkan torsi pada 800 rpm P = 2 π x Rps x T
= 2 x 3.14 x 13.33 x 298 93027.73 watts
93.03 kW - Daya pada engine
P = I x MEP x L x A x z x Rps
24.95 = 0.5 x MEP x 0.12 x 0.817 x 4 x 13.33 MEP = 24.95 / (0.5 x 0.12 x 0.817 x 4 x 13.33) MEP 12.94374 bar
1294.374 kPa Dari perhitungan diatas diambil T1 = 298 Nm (pada 800 rpm) T2 = 475 Nm (Pada 1500 rpm) TMean = 386.5 Nm
1. Turning Moment Diagram
Merupakan diagram yang menggambarkan hubungan antara Torque (T) dan Crank Angle (θ) yang mana menjelaskan nilai torsi yang dihasilkan maupun dibutuhkan pada tiap-tiap langkah yang terjadi yang digambarkan pada sudut dari crank. Pada gambar 4.1 menjelaskan mekanisme silinder-crank yang mengacu pada turning moment diagram pada gambar berikut [4].
Gambar 5. TMD Motor Bakar 4 Langkah 2. Fluktuasi Energi
Perbedaan nilai antara maksimum energy dan minimum energy merupakan fluktuasi energi. Pada gambar 4.4 berikut merupakan turning moment diagram untuk mesin bersilinder jamak. Dimana garis AG merupakan nilai torsi rata-rata yang dihasilkan, sedangkan area-area baik yang berada diatas maupun dibawah garis tersebut (a1, a2, a3, a4, a5, a6) merupakan fluktuasi energy yang terjadi.
Gambar 6. Turning moment diagram dengan nilai torsi A = 298 Nm
B = 386.5 Nm C = 475 Nm
3. Koefisien Fluktuasi Energi
Koefisien fluktuasi energi (CE) merupakan rasio dari fluktuasi energi maksimum dengan kerja yang terjadi selama satu siklus.
Tabel 5. tabel koefisien fluktuasi energi
C
E=
W = T
Meanx θ
Dimana : T
Mean= Torsi rata-rata
θ = 4 π ; Untuk mesin 4 langlahP = 125 Hp = 93212 Watts sehingga = TMean x θ = 386.5 x 4 π = 4854.44 Nm Kemudian
C
E=
Fluktuasi energi maksimum = CE x Work done per cycle = 0.066 x 4854.44 Nm
= 320.39 Nm 4. Fluktuasi Kecepatan
Ketika mesin menghasilkan energy yang lebih besar daripada kebutuhannya,yang ditandai adanya kenaikkan kecepatannya, maka energy tersebut akan tersimpan dalam flywheel, dan dilepaskan kembali ketika produksi energy kurang dari kebutuhan, yang ditandai dengan penurunan kecepatannya. Perubahan kecepatan yang naik turun inilah yang dinamakan dengan fluktuasi kecepatan. Fluktuasi kecepatan terjadi karena adanya penyerapan maupun pelepasan energy yang dilakukan oleh flywheel itu sendiri.
Fluktuasi kecepetan maksimum
Adalah selisih terbesar yang terjadi antara kecepatan maksimum dengan minimum dari kecepatan rotasi mesin / flywheel
Koefisien fluktuasi kecepatan
Merupakan rasio dari fluktuasi kecepatan maksimum dengan rata-rata kecepatannya.
Diketahui N1 = kecepatan maksimum N2 = kecepatan minimum N rata-rata = (N1 + N2) / 2 ῳ1 =
= 230.27 rad/s
ῳ2 == 69.88 rad/s
Dan Koefisien fluktuasi kecepatan (CS)= N1 = 2200 rpm N2 = 800 rpm N rata-rata = (N1 + N2) / 2 = (2200 + 800) / 2 = 1500 rpm
Jadi, CS = = = 0.933
5. Berat dan Dimensi Flywheel
Dalam mendesain suatu flywheel, hal utama yang harus ditentukan ialah menentukan massa dari flywheel tersebut. Dan untuk mengatasi fluktuasi kecepatan yang terjadi, sangat ditentukan dari penentuan masa flywheel secara tepat, yang kemudian sangat berkolerasi dengan media penyimpan momen, yang dalam hal ini adalah momen inersia.
Diketahui:
m = massa flywheel (kg) I = momen inersia (kg m2) k = radius of gyration (m)
= r / 2-2 (untuk flywheel tipe disk) Sehingga N rata-rata = (N1 + N2) / 2 CS =
atau
CS = Ek rata-rata =I ῳ
2 Ek maks =I ῳ
1 2 Ek min =I ῳ
2 2 Fluktuasi energy maksimum ∆ E = E1 - E2 = ( I ῳ1 2 )– ( I ῳ2 2 ) = I (ῳ1- ῳ2) (ῳ1+ ῳ2) = I ῳ (ῳ1- ῳ2) … [ῳ = ] = I ῳ2 [ ]= I ῳ2 CS = m k2 ῳ2 CS … [ I = mk2 ] ∆ E = 2 E CS (joule or Nm) … [ E = I ῳ 2]
Gambar 7. Gambaran matematis sebuah flywheel • T1 , θ1 = Input Energi = Percepatan
• T0 , θ0 = Output Energi = beban = Penurunan kecepatan
Analisa Flywheel
Diameter dalam (A) 70 mm 0.07 m Diameter luar (B) 410 mm 0.41 m Berat 23.4 kg 23.4 kg T1 298 Nm (pada 800 rpm) T2 475 Nm (pada 1500 rpm) TMean 386.5 Nm (T1 + T2)/2 Momen Inersia I = m x r2 = 23.4 x (0.205 x 0.205) 0.9834 kgm2 E1 = 0.5 x I x ω12 = 0.5 x 0.9834 x (230.27)2 = 26070.88 Nm E2 = 0.5 x I x ω22 = 0.5 x 0.9834 x (83.73)2 = 3447.39 Nm Efisiensi Energi pada Flywheel
E1 ≡ T1 E1 = 26070.88 Nm T1 = 475 Nm Ƞ = ((E1 - T1)/E1) x 100 % = (26070.88 - 475)/26070.88 = 98.18% E2 ≡ T2 E2 = 3447.39 Nm T2 = 298 Nm Ƞ = ((E2 - T2)/E2) x 100 % = (3447.39 - 298)/3447.39 = 91.36%
B. Analisa Firing Order
Tiap-tiap silinder pada mesin pasti mengalami proses pembakaran sebanyak satu kali yaitu saat langkah kerja pada tiap cycle. Dimana pada mesin tipe empat langkah, pembakaran terjadi tiap crankshaft berrotasi sebesar 180o, dan tiap 120o pada mesin bersilinder enam, dan seterusnya.
Urutan pembakaran yang terjadi pada mesin bersilinder jamak disebut sebagai firing order. Pengaturan firing order adalah berdasar dari jumlah silinder pada mesin tersebut dan juga bentuk dari crankshaft mesin yang bersangkutan. Pengaturan firing order dirancang
berdasarkan parameter-parameter berikut yang harus dipertimbangkan untuk suatu desain yang optimum, yaitu:
Engine Vibrations
Engine cooling
Development of back pressure
Tabel 6. Diagram kerja untuk Firing order 1-3-4-2 Silinder 0 o (TMA) 180 o 360 o 720 o
1 Hisap Kompresi Usaha Buang 2 Kompresi Usaha Buang Hisap 3 Buang Hisap Kompresi Usaha
4 Usaha Buang Hisap Kompresi
Tabel 7. Diagram kerja untuk Firing order 1-2-4-3 Silinder 0 o (TMA) 180 o 360 o 720 o
1 Hisap Kompresi Usaha Buang 2 Buang Hisap Kompresi Usaha 3 Kompresi Usaha Buang Hisap
4 Usaha Buang Hisap Kompresi
Dari diagaram firing order 1-3-4-2 diatas dapat dilihat bahwa saat silinder 1 pada langkah kompresi, silinder 2 sedang langkah usaha, silinder 3 sedang langkah hisap, silinder 4 sedang langkah buang.
Gambar 7. Gambaran konfigurasi piston dengan sudut crank Sebuah momen yang dihasilkan akibat daya dari pembakaran di ruang bakar menghasilkan sebuah nilai torsi yang lebih besar dibandingkan torsi rata-ratanya. Diketahui bahwa sebuah momen yang didapat crankshaft dari daya pembakaran adalah sebesar torsi yang dihasilkan dikalikan dengan sudut dari poros engkolnya [7]. Dapat dilihat dari persamaan berikut
W = T x θ
Saat piston berada pada titik mati atas maupun titik mati bawah, posisi piston sejajar dengan connecting rod dan garis tengah dari crankshaftnya maka momen lengan yang dikenakan pada crankshaft adalah sebesar 0 (nol).
Sin 180o = 0
Saat piston berada pada 90o sebelum atau sesudah titik mati atas maupun titik mati bawah, posisi piston tidak sejajar dengan connecting rod dan garis tengah dari crankshaftnya maka momen lengan yang dikenakan pada crankshaft adalah sebesar 1 (satu). Sudut sebesar 90o merupakan simpangan terbesar yang mampu dibentuk oleh crankshaft dan maka dari itu dikenal dengan full crank radius.
Sin 90o = 1
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil perhitungan matematis yang dilakukan menyatakan bahwa flywheel yang terdapat pada mesin diesel merek Cummins tipe 4 BTA 3.9-M125, faktor-faktor yang mempengaruhi kemampuan flywheel untuk menyimpan sebuah momen adalah massa dari flywheel dan juga bekerja pada berapa putaran rpm flywheel tersebut.
Korelasi antara flywheel dan firing order terhadap proses kerja mesin diesel adalah kemampuan flywheel untuk menyerap dan melepaskan suatu energi akibat langkah-langkah yang terjadi dalam proses kerja mesin diesel yang mana mampu meredam suatu getaran torsional akibat fluktuasi energi yang dihasilkan saat langkah penghasil daya berlangsung.
UCAPAN TERIMA KASIH
Selesainya penelitian ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak yang telah memberikan bantuan dari segi pengetahuan serta beberapa masukan.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Dangi, Jignesh. Tanpa tahun. Theory of Machine (1MEB25) ; Chapter – 11 : Flywheel
[2] Dereszewski, M., Charchalis, Adam, Polanowski, Stanislaw. Tanpa tahun. Analysis of Diagnostic Utility of Instantenous Angular Speed Fluctuation of Diesel Engine Crankshaft. Gdynia Maritime University, Faculty of Marine Engineering.
[3] Prahasto, Toni., Wikatama, Dema. Tanpa tahun, Optimasi Geometri Rotating Disk Guna Minimasi Tegangan Geser Maksimum dan Tegangan Von-Misses. Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro.
[4] Anonim. Tanpa tahun. Theory of Machines ; Chapter 16 – Turning Moment Diagram and flywheel.
[5] Rodicheva, G., Rodichev, V. Tanpa tahun. Engine Design ; Tractors and Automobiles. Moscow. Mir Publisher.
[6] Braker, W. Tanpa tahun. Understanding Flywheel Energy Storage: Does High-Speed Really Imply a Better Design. Austin, Texas.
www.activepower.com
[7] Troy Fesse, P.E., Hill, Charles. 2002. Guidelines for Preventing Torsional Vibration Problems in Reciprocating Machinery. Engineering Dynamics Incorporated 16117 University OAK, San Antonio, Texas. [8] McGraw-Hill. 2004. Torsional Vibration for Turbo Machinery.
www.digitalengineeringlibrary.com
[9] Mathew, Michael. 2009. Design of Flywheel for Improved Energy Storage using Computer Aided Analysis. Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology Rourkela.
