JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
1
Order 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 E-mail :
[email protected] ,
[email protected] ,
[email protected] F lywheel lywheel (roda gila) merupakan komponen dari mesin yang mampu menyimpan energi kinetik dari gerak rotasi poros engkol dan bertujuan untuk menghasilkan putaran mesin yang stabil. F lywheel lywheel atau roda gila dihubungkan pada ujung poros engkol sebuah mesin yang menerima tenaga putar dari piston selama langkah usaha, yang kemudian akan berkurang akibat langkahlywheel langkah lain, inertia loss, dan juga akibat gesekan. F lywheel berfungsi sebagai suatu lumbung penyimpanan energi, yang mana menyimpan energi saat suplai melebihi kebutuhan dan melepaskannya 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 rder. pada mesin bersilinder jamak disebut sebagai fir ing order. rder adalah berdasar dari jumlah silinder Pengaturan fir ing order pada mesin tersebut dan juga bentuk dari crankshaft mesin yang fi ri ng orde order r dirancang bersangkutan. Pengaturan firi dirancang dengan tujuan ibration dan D evelopm evelopment ent of back meminimalisasi E ngine V ibrat
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 .
pres pressure sure.. K ata kunci : F i ri ng Or der, fluktuasi fluktuasi kece kecepata atan, flywhe flywhee el, i nersi nersi a.
II. METODOLOGI PENELITIAN A. Membongkar dan Mengidentifikasi Mesin
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 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 massa flywheel dan juga mempercepat putaran flywheel itu sendiri. Media
Proses pembongkaran dan pengidentifikasian mesin diesel dilakukan untuk mengetahui bentuk dan dimensi dari flywheel . Pembongkaran dilakukan dengan proses melepas tiap-tiap komponen dari casing nya. nya. Setelah flywheel 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 adalah ukuran utama dari motor diesel seperti bore, stroke, serta data lain seperti compression ratio. ratio. Tabel 1. Tabel 1. Tabel data awal motor diesel
Merek Model Power Bore x Stroke Jumlah silinder Firing order Displacement Torsi maksimum Rasio kompresi Tekanan kompresi
Cummins 4BTA3.9-M125 125 bhp pada 2200 rpm 102 mm x 120 mm 4 1-3-4-2 3.9 liter 475 Nm pada 1500 rpm 1 : 16.5 128.5 bar
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
Tekanan kompresi maks.
68.5 bar
2
S
Max. 0.045
(sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification)
Tabel 4. Tabel mechanical properties
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
A
Rm – Tensile strength ReH – Min. yield strength A – Min. elongation
440 Mpa 170 – 360 MPa 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.
B
Gambar 1. Flywheel
Gambar 2. Flywheel hasil penggambaran
Tabel 2. Tabel dimensi flywheel
Diameter dalam (A) Diameter luar (B) Berat
70 mm 410 mm 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 Mn P
% Max. 0.12 Max. 0.6 Max. 0.045
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
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
3
1700
465
= 2 x 3.14 x 13.33 x 298
1800
454
24952.53
1900
445
24.95
2000
433
2200
404
watts kW
- Daya pada engine
(sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification)
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
Gambar 4. Grafik rpm vs daya
i
0.5
L
120
mm
A
8167.14
mm
Rpm
2
2200
0.12 m
=
0.816714 m
Rps
36.66667
2
T
404
800
25
Z
4
1000
40
1200
56
1400
69
1500
75
1600
79
1700
83
1800
86
- Daya pada engine
1900
88
P
= I x MEP x L x A x z x Rps
2000
91
24.95
= 0.5 x MEP x 0.12 x 0.817 x 4 x 13.33
2200
93
MEP
= 24.95 / (0.5 x 0.12 x 0.817 x 4 x 13.33)
P
L
120
mm
A
8167.14
mm
Rpm
800
93.03
MEP 800
rpm
T
298
Z
4
=
0.12 m
=
0.816m
Rps Nm
2
13.33333
(pada 800 rpm) (jumlah silinder)
- Daya perhitungan berdasarkan torsi pada 800 rpm = 2 π x Rps x T
= 2 π x Rps x T 93027.73
(untuk mesin 4 langkah) 2
(jumlah silinder)
= 2 x 3.14 x 13.33 x 298
3.14 0.5
(pada 2200 rpm)
- Daya perhitungan berdasarkan torsi pada 800 rpm
Input parameter i
Nm
=
Daya (kW)
1). Perhitungan kondisi iddle Rpm
P
(untuk mesin 4 langkah)
Rpm
(sumber: Cummins 4BTA3.9-M125 Spesification)
π
3.14
watts kW
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].
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
4
Dimana : TMean = Torsi rata-rata θ = 4 π ; Untuk mesin 4 langlah P = 125 Hp = 93212 Watts sehingga = TMean x θ = 386.5 x 4 π = 4854.44 Nm Kemudian
CE = 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 (a 1, a2, a3, a4, a5, a6) merupakan fluktuasi energy yang terjadi.
Gambar 6. Turning moment diagram dengan nilai torsi A B C
= 298 Nm = 386.5 Nm = 475 Nm
Fluktuasi energi maksimum = C E 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
3. Koefisien Fluktuasi Energi Koefisien fluktuasi energi (CE) merupakan rasio dari fluktuasi energi maksimum dengan kerja yang terjadi selama satu siklus.
=
= 230.27 rad/s ῳ2
Tabel 5. tabel koefisien fluktuasi energi
=
= 69.88 rad/s Dan Koefisien fluktuasi kecepatan (C S)= N1
= 2200 rpm
N2
= 800 rpm
N rata-rata = (N1 + N2) / 2
CE =
W = TMean x θ
= (2200 + 800) / 2 = 1500 rpm
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6
Jadi, CS = =
Diameter dalam (A)
Diameter luar (B)
Berat
= 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 fl uktuasi 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) 2 I = momen inersia (kg m ) k = radius of gyration (m) -2 = r / 2 (untuk flywheel tipe disk)
atau CS =
Ek rata-rata = Ek maks
=
Ek min
=
Iῳ
I ῳ2
=
2
= I ῳ [
mm
0.41
m
kg
23.4
kg
298
Nm
(pada 800 rpm)
T2
475
Nm
(pada 1500 rpm)
386.5
Nm
TMean (T1 + T2)/2 Momen Inersia I = m x r 2
= 23.4 x (0.205 x 0.205) 0.9834
kgm
2
E1 2
=
0.5 x I x ω1
=
0.5 x 0.9834 x (230.27) 26070.88
2
Nm
=
0.5 x I x ω22
=
0.5 x 0.9834 x (83.73) 3447.39
2
Nm
… [ῳ =
E1 =
26070.88
Nm
T1 =
475
Nm
Ƞ =
I (ῳ1- ῳ2) (ῳ1+ ῳ2)
= I ῳ (ῳ1- ῳ2)
410
E1 ≡ T1
= ( I ῳ12) – ( I ῳ22)
m
Efisiensi Energi pada Flywheel
Fluktuasi energy maksimum ∆E = E1 - E2
0.07
T1
= 2
2
mm
E2
2
I ῳ1
70 23.4
=
Sehingga N rata-rata = (N1 + N2) / 2 CS =
5
=
=
]
((E1 - T1)/E1) x 100 % (26070.88 - 475)/26070.88 98.18%
E2 ≡ T2
]
E2 =
3447.39
Nm
T2 =
298
Nm
2
= I ῳ CS = m k 2 ῳ2 CS ∆E
2
… [ I = mk ]
= 2 E CS (joule or Nm)
…[E=
2
Iῳ]
Ƞ =
= =
((E2 - T2)/E2) x 100 % (3447.39 - 298)/3447.39 91.36%
B. Analisa Firing Order
• •
Gambar 7. Gambaran matematis sebuah flywheel T1 , θ1 = Input Energi = Percepatan T0 , θ0 = Output Energi = beban = Penurunan kecepatan Analisa Flywheel
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 18 0o, o dan tiap 120 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
JURNAL TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Vol. 1, No. 1, (2014) 1-6 o
berdasarkan parameter-parameter berikut yang harus dipertimbangkan untuk suatu desain yang optimum, yaitu:
Sin 180 = 0 o Saat piston berada pada 90 sebelum atau sesudah titik mati atas maupun titik mati bawah, posisi piston tidak sejajar dengan connecting rod dan garis tengah dari crankshaft nya maka momen lengan yang dikenakan pada o crankshaft adalah sebesar 1 (satu). Sudut sebesar 90 merupakan simpangan terbesar yang mampu dibentuk oleh crankshaft dan maka dari itu dikenal dengan full crank radius. o Sin 90 = 1
Engine Vibrations Engine cooling Development of back pressure
Tabel 6. Diagram kerja untuk Firing order 1-3-4-2 o
Silinder 0 (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
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.
Tabel 7. Diagram kerja untuk Firing order 1-2-4-3 o
Silinder 0 (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
6
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.
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] [2]
[3]
[4]
Gambar 7. Gambaran konfigurasi piston dengan sudut crank
[5] [6]
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 =Txθ Saat piston berada pada titik mati atas maupun titik mati bawah, posisi piston sejajar dengan connecting rod dan garis tengah dari crankshaft nya maka momen lengan yang dikenakan pada crankshaft adalah sebesar 0 (nol).
[7]
[8] [9]
Dangi, Jignesh. Tanpa tahun. Theory of Machine (1MEB25) ; Chapter – 11 : Flywheel 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. 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. Anonim. Tanpa tahun. Theory of Machines ; Chapter 16 – Turning Moment Diagram and flywheel. Rodicheva, G., Rodichev, V. Tanpa tahun. Engine Design ; Tractors and Automobiles. Moscow. Mir Publisher. Braker, W. Tanpa tahun. Understanding Flywheel Energy Storage: Does High-Speed Really Imply a Better Design. Austin, Texas. www.activepower.com 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. McGraw-Hill. 2004. Torsional Vibration for Turbo Machinery. www.digitalengineeringlibrary.com Mathew, Michael. 2009. Design of Flywheel for Improved Energy Storage using Computer Aided Analysis. Department of Mechanical Engineering, National Institute of Technology Rourkela.
