JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1 (2013) 1-4 1
Abstrak: Analisa pengaruh desain sistem pegas sebagai pemutar balik terhadap performance motor bakar gerak linier bersilinder tunggal telah diuji dan didapatkan hasilnya.
Dalam pengujiannya, dibeberapa kondisi, engine tidak dapat bekerja sesuai prediksi. Hal ini terjadi karena stroke yang tidak terpenuhi sehingga dibeberapa kondisi tersebut Scavenging Port tidak dapat terbuka secara normal dan pada beberapa kondisi lainnya Scavenging Port dapat terbuka secara normal. Riset ini fokus pada beberapa kondisi dimana displacement yang dihasilkan tidak sesuai yaitu pada 3,1 m , 6,2 m dan 21,9 m . Hal ini perlu diuji karena pada kondisi tersebut Scavenging Port tidak terbuka secara normal. Perbandingan tekanan pembakaran dan power output antara model Linier Engine Prediksi dan model Linier Engine Desain. Kesimpulan dari riset ini adalah turunnya nilai Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) dan berakibat pada turunnya performa dari engine. Dari tiga pengujian, ketiganya tidak dapat bekerja secara normal karena Scavenging Port hanya terbuka sebagian. Namun, engine dapat berkeja karena tidak terjadi misfire.
Kata Kunci : Motor Bakar Gerak Linier, Scavenging Port, Displacement, Performa.
I. PENDAHULUAN
Desain sistem pegas sebagai pemutar balik terhadap performance motor bakar gerak linier bersilinder tunggal adalah sebuah inovasi baru dalam perancangan motor bakar yang dikembangkan untuk menghasilkan motor bakar yang efisien dan sederhana. Selain dapat menghasilkan motor bakar yang efisien dan sederhana, keunggulan lain dari desain sistem pegas sebagai pemutar balik motor bakar gerak linier bersilinder tunggal adalah mempunyai respon yang cepat untuk memperbesar dan mengkompressi pada proses osilasi.
Kerugian dari desain sistem pegas sebagai pemutar balik motor bakar gerak linier bersilinder tunggal adalah bergantungnya pada gaya dorong pada saat proses pembakaran.
Hukum Hooks sangat mempengaruhi performance dari motor bakar gerak linier. Selain itu, defleksi pegas sangat bergantung pada gaya dorong. Dengan alasan tersebut, performance dari motor bakar gerak linier sangat bergantung dari hasil optimasi desain pegas yang dirancang pada penelitian sebelumnya. Hasil optimasi desain pegas itulah yang melatarbelakangi adanya penelitian tentang Analisa pengaruh
desain sistem pegas sebagai pemutar balik terhadap performance motor bakar gerak linier bersilinder tunggal.
II. TINJAUANPUSTAKA
Engine berpiston bebas mempunyai banyak istilah sehingga mempunyai banyak macam untuk engine ini. Piston yang disebut bebas adalah karena gerakannya yang tidak dibatasi oleh posisi sebuah poros engkol berputar, sebagaimana diketahui dari mesin konvensional, tetapi hanya ditentukan oleh hubungan antara gas dan beban gaya yang bekerja diatasnya. (Mikalsen & Roskilly, 2007)
Hal ini membuat engine berpiston bebas mempunyai karakteristik perbedaan, termasuk (a) variasi panjang langkah dan (b) kebutuhan pengontrol aktif dari gerakan piston.
Keuntungan lain dari engine berpiston bebas adalah pengurangan potensi kerugian akibat gesekan. (Mikalsen &
Roskilly, 2007)
Linier Engine dengan system pegas sebagai pemutar balik telah menjadi engine alternative. Design yang simple dan sederhana sanagat direkomendasikan untuk digunakan sebagai generator kecil. Sebuah kelebihan yang signifikan jika dibandingkan dengan mesin konvensional, walaupun area kerja berubah. Konsep dari linier engine ini mengeliminasi gesekan sehingga dapatmenghasilkan extra power. Hukum hook’s juga mempengaruhi dari performance linier engine. Akan tetapi, defleksi dari pegas bergantung pada gaya dorong pada pegas tersebut. Dengan alasan itulah, performa linier engine bergantung pada hasil optimalisasi dari desain pegas.
(Fathallah, 2010)
Keuntungan yang didapat dari system pegas sebagai pemutar balik adalah desain yang simple dan rapi, respone yang tinggi saat perbesaran dan kompresi pada proses osilasi.
Itu memungkinkan untuk akselerasi yang cepat. Kerugiannya adalah system pegas untuk linier engine sangat bergantung pada defleksi pegas yang terjadi karena gaya dorong akibat proses pembakaran. Untuk mengeliminasi kekurangan tersebut, diperlukan sebuah optimalisasi desain. (Fathallah, 2010)
Defleksi dari pegas dengan kecepatan tertentu tidak dapat membuka Scavenging port dengan baik. Disamping itu, pressure ratio juga menurun karena bergantung pada reduksi dari defleksi piston stroke. (Mikalsen & Roskilly, 2008)
Studi Analisa Pengaruh Desain Sistem Pegas Sebagai Pemutar Balik Terhadap Performance Motor Bakar Gerak Linear Bersilinder Tunggal
Maulana Muchlas, Aguk Zuhdi M. Fathallah, Tjoek Suprajitno
Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: muchlasmaulana@gmail.com , fathalaz@its.ac.id
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1 (2013) 1-4 2 Hukum Hooke adalah hukum atau ketentuan mengenai
gaya dalam bidang ilmu fisika yang terjadi karena sifat elastisitas dari sebuah pir atau pegas. Besarnya gaya Hooke ini secara proporsional akan berbanding lurus dengan jarak pergerakan pegas dari posisi normalnya. Hukum Hooke menyatakan hubungan antara gaya F yang meregangkan pegas dan pertambahan panjang (X), didaerah yang ada dalam batas kelentingan pegas.F = k.Δx Atau : F = k (tetap) xk adalah suatu tetapan perbandingan yang disebut tetapan pegas yang nilainyaberbeda untuk pegas yang berbeda.Tetapan pegas adalah gaya per satuan tambahan panjang. Satuannya dalam SI adalah N/m.
Gambar 1. Flow Chart III. PROSESPENELITIAN 3.1 Pengukuran
Data mesin yang digunakan sebagai objek tugas akhir ini adalah mesin Yamaha Rs 100 cc. Proses pengukuran ini dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui ukuran yang tidak ada di spesifikasi mesin dimana, nantinya akan digunakan untuk menjadi bahan perhitungan defleksi dan menjadi inputan data simulasi untuk menghitung performa linier engine.
Tabel 1. Dimensi Bagian-Bagian Engine Yamaha RS 100 cc
No. Nama Data Satuan
1. Compressi Rasio 1 : 9.3
2. Diplacement 100.3 Cc
3. Stroke 59 mm
4. Clearance 7.21 mm
5. Scavenging Inlet Panjang 17 mm
6. Scavenging Inlet Lebar 11 mm
7. Jarak Scavenging Inlet Bagian Atas 37.8 mm 8. Jarak Scavenging Inlet Bagian Bawah 48.55 mm
9. Scavenging Outlet Panjang 29 mm
1. Scavenging Outlet Lebar 21 mm
11. Jarak Scavenging Outlet Bagian Atas 26 mm 12. Jarak Scavenging Outlet Bagian Bawah 48.55 mm
3.2 Simulasi Prediksi
Setelah melakukan pengukuran, selanjutnya membuat model linier engine prediksi dengan spesifikasi sesuai dengan engine Yamaha RS 100 cc. Dari model linier engine prediksi ini akan didapatkan hasil dan hasil yang akan dipakai adalah data Indicated Mean Effective Pressure (IMEP). Berikut adalah data Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) yang didapatkan dari simulasi Model Linier Engine Prediksi : Tabel 2. IMEP Hasil Simulasi Prediksi
No. Speed (m sec) IMEP (Bar) F (N) Brake Power (KW)
1. 3,1 3.77 640.9 0.7
2. 6,2 4.54 771.8 1.8
3. 9,4 5.45 926.5 3.2
4. 12,5 6.26 1064.2 4.9
5. 15,6 6.54 1111.8 6.4
6. 18,8 6.08 1033.6 7.1
7. 21,9 4.48 761.6 6.0
3.3 Perhitungan Defleksi
Untuk menghitung defleksi yang terjadi, dengan mereference ke paper. Fathallah dan Bakar (2010) maka dapat diketahui dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
…...(Persamaan 1) Keterangan :
S = Spring Defleksi (Defleksi Spring)………...(mm) F = Loading of Spring (Gaya Piston)……...………..(N) N = Number of Active Coil (jumlah coil)
D = Mean Spring Diameter (Diameter Rata-Rata Spring...(mm) G = Modulus of elasticity in shear………...(Mpa) d = Wire Diameter (Diameter Kawat Spring) satuan...…...(mm) Tabel 3. Defleksi Simulasi Predisksi
No. Speed F N D G D S Bukaan 1. 3,1 640.9 12 55 78500 7.5 41.213 31.72 % 2. 6,2 771.8 12 55 78500 7.5 49.630 100 % 3. 9,4 926.5 12 55 78500 7.5 59.578 100 % 4. 12,5 1064.2 12 55 78500 7.5 68.433 100 % 5. 15,6 1111.8 12 55 78500 7.5 71.494 100 % 6. 18,8 1033.6 12 55 78500 7.5 66.465 100 % 7. 21,9 761,6 12 55 78500 7.5 48.974 100 %
3.4 Modifikasi
Sebelum menyimulasikannya ke model linier engine desain, harus memodifikasi beberapa data yang ada setelah melihat hasil simulasi model linier engine prediksi, yaitu pada data speed 3,1 m , speed 6,2 m dan speed 21,9 m . Data yang akan dimodifikasi antara lain adalah Rasio Kompresi, Luasan Scavenenging per Derajad dan Luasan Exhaust per Derajad.
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1 (2013) 1-4 3 3.5 Simulasi Desain
Setelah melakukan modifikasi pada perhitungan rasio kompresi, luasan Scavenging per Derajad dan luasan Exhaust per Derajad, selanjutnya membuat model linier engine dengan desain sesuai perhitungan modifikasi tadi. Hitungan tersebut dimasukan kedalam software. Dari permodelan ini nantinya akan diambil adalah data IMEP yang baru. Dari model linier engine desain ini, yang akan menjadi focus adalah pada saat speed 3,1 m , speed 6,2 m dan speed 21,9 m . Berikut adalah data Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) yang didapatkan dari simulasi Model Linier Engine Desain :
Tabel 4. IMEP Hasil Simulasi Desain
No. Speed IMEP (Bar) F (N)
1. 3,1 m 3.65 620.5
2. 6,2 m 3.99 678.3
3. 21,9 m 3.96 673.2
IV. ANALISADATADANPEMBAHASAN
Fokus dari perngujian ini adalah pengaruh desain sistem pegas sebagai pemutar balik terhadap performance motor bakar gerak linier bersilinder tunggal yang dilakukan pada tiga kondisi, yaitu pada speed 1.9 m , speed 3.9 m dan speed 13.9 m . Pada tabel 4.6.1 adalah tabel perhitungan defleksi dari hasil simulasi model Linier Engine Desain yang sudah dimodifikasi. Tabel 4.62 adalah tabel perbandingan Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) pada Model Linier Engine Prediksi dengan Model Linier Engine Desain. Tabel 4.6.3 adalah tabel efek spring desain terhadap performa engine. Perbandingan P-V diagram speed 1.9 m antara Model Linier Engine Prediksi dengan Model Linier Engine Desain ada pada Grafik 4.6.2. Perbandingan P-V diagram speed 3.9 m antara Model Linier Engine Prediksi dengan Model Linier Engine Desain ada pada Grafik 4.6.3. Perbandingan P-V diagram speed 13.9 m antara Model Linier Engine Prediksi dengan Model Linier Engine Desain ada pada Grafik 4.6.4.
Dengan adanya hasil simulasi model Linier Engine Desain dan juga menggunakan persamaan yang sama seperti disub-bab 4.1 tentang perhitungan defleksi, maka didapatkan hasil defleksi yang terjadi, khususnya pada speed 1.9 m , speed 3.9 m dan speed 13.9 m . Berikut adalah hasil defleksi yang terjadi :
Tabel 5. Defleksi Simulasi Desain
No Speed F N D G D S Bukaan
1. 3,1 620.5 12 55 78500 7.5 39.901 19.53%
2. 6,2 678.3 12 55 78500 7.5 43.618 54.04%
3. 21,9 673.2 12 55 78500 7.5 43.201 51.06%
Jika dibandingkan terhadap bukaan Scavenging Port, dengan Model Linier Engine Prediksi saat speed 1.9 m , Scavenging Port terbuka 31.72%. sedangkan dengan Model Linier Engine Desain saat speed 1.9 m , Scavenging Port terbuka 19.53%. Model Linier Engine Prediksi saat speed 3.9 m , Scavenging Port terbuka 100%. sedangkan dengan
Model Linier Engine Desain saat speed 3.9 m , Scavenging Port terbuka 54.04%. Dan Model Linier Engine Prediksi saat 13.9 m , Scavenging Port terbuka 100%.
sedangkan dengan Model Linier Engine Desain saat 13.9 m , Scavenging Port terbuka 51.06%. Pada saat speed 5.9 m ,speed 7.9 m ,speed 9.9 m dan speed 11.9 m dengan Model Linier Engine Prediksi maupun Model Linier Engine Model, sama-sama dapat membuka Scavenging Port 100%.
Tabel 6. Perbandingan IMEP dan Defleksi Prediksi dan Simulasi
No Speed IMEP (bar) Penuruna n
Defleksi (mm) Penuruna n
Pred Des % Pred Des %
1. 3,1 3.77 3.65 3.18 41.2 39.9 3.18 2. 6,2 4.54 3.99 12.11 49.6 43.6 12.13
3. 9,4 5.45 5.45 0 59.5 59.5 0
4. 12,5 6.26 6.26 0 68.4 68.4 0
5. 15,6 6.54 6.54 0 71.4 71.4 0
6. 18,8 6.08 6.08 0 66.4 66.4 0
7. 21,9 4.48 3.96 11.61 48.9 43.2 11.60
Tabel 6. Perbandingan Performance Prediksi dan Simulasi No. Keterangan Speed 3,1
m
Speed 6,2 m
Speed 21,9 m Pred Des Pred Des Pred Des 1. Brake
Power (kW)
0.7 0.6 1.8 1.3 6.0 4.4
2. Brake Power (HP)
1.0 0.6 2.4 1.7 8.1 5.9
3. Brake Torque (N-m)
6.9 4.6 8.4 6.1 8.2 6.0
4. IMEP (bar) 3.77 3.65 4.54 3.99 4.48 3.96 5. FMEP (bar) 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 6. Air Flow
Rate (Kg/Hr)
8.0 2.6 14.9 13.2 28.5 18.4
7. BSAC (Gr/kW-Hr)
109 7
541 1
846 4
10.3 4719 418 7 8. Fuel Flow
Rate (Kg/Hr)
0.6 0.2 1.2 1.1 2.2 1.5
9. BSFC (Gr/kW-Hr)
881.
7 439.
7 677.
5 825
1 372.
6 337
5 10. Volumetric
Efficiency (%)
97.6 46.5 91.2 97.5 49.7 39.2
11. A/F Ratio 12.4 12.3 12.4 12.5 12.6 12.4 12. Brake
Efficiency (%)
9.4 18.8 12.2 10.0 22.1 24.4
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1 (2013) 1-4 4 Jika dibandingkan terhadap power output, dengan
Model Linier Engine Prediksi saat speed 1.9 m , power output 0.7 kW. Denganmodel Linier Engine Desain speed yang sama, power output turun menjadi 0.6 kW. Model Linier Engine Prediksi saat speed 3.9 m , power output 1.8 kW.
Denganmodel Linier Engine Desain speed yang sama, power output turun menjadi 1.3 kW. Model Linier Engine Prediksi saat 13.9 m , power output 6.0 kW. Denganmodel Linier Engine Desain speed yang sama, power output turun menjadi 4.4 kW. Perbandingan performa engine lainnya dapat dilihat pada tabel efek spring desain pada performa spring.
Grafik 1. Perbandingan P-V Diagram Speed 3,1 m sec Dapat dilihat pada P-V diagram diatas, yaitu pada kondisi speed 3,1 m , Pressure menurun dari 28.26 bar menjadi 23.51 bar. Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) pada kondisi ini juga menurun 3.18 % dari 3.77 bar menjadi 3.65 bar .
Grafik 2. Perbandingan P-V Diagram Speed 6,2 m sec Dapat dilihat pada P-V diagram diatas, yaitu pada kondisi speed 6,2 m , Pressure menurun dari 30.5 bar menjadi 25.28 bar. Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) pada kondisi ini juga menurun 12.11 % dari 4.54 bar menjadi 3.99 bar .
Grafik 3. Perbandingan P-V Diagram Speed 21,9 m sec
Dapat dilihat pada P-V diagram speed 21,9 m , Pressure menurun dari 27.6 bar menjadi 22.75 bar. Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) pada kondisi ini juga menurun 11.61% dari 4.48 bar menjadi 3.96 bar
V. KESIMPULAN
Pengaruh desain sistem pegas sebagai pemutar balik terhadap performance motor bakar gerak linier bersilinder tunggal telah diuji didalam tujuh kondisi dan didapatkan hasilnya.Kesimpulan dari riset ini adalah : Turunnya nilai Indicated Mean Effective Pressure (IMEP) dan berakibat pada turunnya performa dari engine. Hal ini dikarenakan Scavenging Port yang tidak dapat terbuka secara normal.
Keadaan ini terjadi pada tiga kondisi, yaitu speed 3,1 m dimana Scavenging Port terbuka 19.53 %, lalu speed 6,2 m dimana Scavenging Port terbuka 54.04 % dan speed 21,9 m dimana Scavenging Port terbuka 51.06 %.
Walaupun terjadi penurunan performa karena hal tersebut, engine masih dapat berkeja karena tidak terjadi missfire.
Performa tertinggi yang dihasilkan berapa pada kondisi speed 18,8 m dengan power 7.1 kW.
UCAPAN TERIMA KASIH
Selesainya penelitian ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak yang telah bersedia memberikan bantuannya agar penelitian ini dapat selesai dengan baik dan benar serta tepat waktu. maka sudah sepatutnya penulis ucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah memberikan bantuannya, khususnya kepada kedua orang tua penulis, Bapak Ir.
Muhamad Thofa, MT. dan Ibu Diana Sri Rahayu, yang tak henti-hentinya mendo’akan dan menyemangati penulis.
selanjutnya Bapak Dr. Ir. Aguk Zuhdi M. Fathallah., M.Eng selaku Dosen Pembimbing 1 serta Ir. Tjoek Suprajitno selaku Dosen Pembimbing 2 yang selalu membimbing dan memberi pengarahan dalam mengerjakan penelitian ini. Dan semua pihak yang turut membantu, yang tidak dapat saya sebutkan satu-persatu.
DAFTARPUSTAKA
Fathallah, A. Z. M. dan Bakar, R. A. 2010. “The Effect of Spring Design as Return Cycle of Two Stroke Spark Ignition Linier Engine on the Combustion Process and Performance”, PhD Thesis, Faculty of Mechanical Engineering, Universiti Malaysia Pahang, Malaysia Heywood, J B. and E. Sher. 1998. “The Two Stroke Cycle
Engine”. New York.
John, B.H., 1988. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw Hill Book Company.
Mikalsen, R. 2007a. “Performance Simulation of a Spark Ignited Free-Piston Engine Generator”, Sir Joseph Swan Institute for Energy Research, University of Newcastle upon Tyne, United Kingdom
Mikalsen, R. 2007b. “The Design and Simulation of Two- Stroke Free-Piston Compression Ignition Engine for Electrical Power Generation”, School of Marine Science and Technology, University of Newcastle upon Tyne, United Kingdom.
Norton, R L. 1996. “Machine Design an Integrated Approach”. Prentice-Hall International, Inc. Tokyo.