ASSALAMU’ALAIKUM, WR, WB

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

Presentasi P3

ANALISA TEGANGAN PISTON AKIBAT PENGURANGAN TEBAL PISTON HEAD PADAPENGURANGAN TEBAL PISTON HEAD PADA KONVERSI MESIN DIESEL MENJADI MESIN

BAHAN BAKAR GASBAHAN BAKAR GAS

By :Hendra Septiawan (4209100501)

Dosen Pembimbing :Semin Sanuri., ST, MT, Ph.D., , ,

Ir. Aguk Zuhdi M.F., M.Eng, Ph.D.


Presentasi P3

LATAR BELAKANG

Perkembangan teknologi bahan bakar sangatlahPerkembangan teknologi bahan bakar sangatlahsignifikan. Salah satu bahan bakar yang mulaidilirik pada bidang otomotif adalah CNG Namundilirik pada bidang otomotif adalah CNG. Namununtuk mesin yang dikonversi menjadi bahan bakarCNG perlu dilakukan modifikasi pada mesin salahCNG perlu dilakukan modifikasi pada mesin, salahsatunya adalah memodifikasi piston. Dengandemikian akan mempengaruhi tegangan yangdemikian akan mempengaruhi tegangan yangterjadi pada piston. Penulisan dilakukan untukmenganalisa tegangan piston dan distribusimenganalisa tegangan piston dan distribusithermal yang terjadi pada piston.

Marine Engineering Dept. ITS

PERUMUSAN MASALAH

1 Bagaimana tegangan yang terjadi pada piston akibat1. Bagaimana tegangan yang terjadi pada piston akibatpengurangan ketebalan piston head dengan berbagaimacam variasi compression ratio?macam variasi compression ratio?

2. Bagaimana distribusi temperature yang terjadi padapiston?

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


BATASAN MASALAH

1 Tidak membahas proses pembakaran yang terjadi pada1. Tidak membahas proses pembakaran yang terjadi padaruang bakar.

2 Tid k b h d t il i l i f i2. Tidak membahas secara detail simulasi performa mesin.

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

4. Tidak membahas pengaruh variasi compression ratioterhadap performa mesin.


Tujuan Penulisan

1 Mengetahui tegangan yang terjadi pada piston akibat1. Mengetahui tegangan yang terjadi pada piston akibattekanan yang terjadi akibat pembakaran pada ruangbakarbakar.

2. Mengetahui distribusi temperatur yang terjadi padai tpiston.

3. Mengetahui apakah piston dapat menerima beban yangdiberikan akibat konversi bahan bakar diesel menjadiCNG tersebut.


Tinjauan Pustaka

1 Gudimetal & Gopinath (2009)1. Gudimetal & Gopinath (2009)

“Finite Element Analysis of Reverse Engineered InternalC b ti E i Pi t ”Combustion Engine Piston”.

2. Morel, dkk (1990)

“Detailed Analysis of Heat Flow Pattern in Piston”.


DASAR TEORIDASAR TEORI


Compressed Natural Gas (CNG)(CNG)CNG merupakan gas alam yang dikompresi dan dapatdi i d l b j CNG b hk ldisimpan dalam suatu bejana. CNG membutuhkan volumebejana yang lebih besar untuk mendapatkan massa yangsama terhadap gas alam dan menggunakan tekanan tinggisama terhadap gas alam dan menggunakan tekanan tinggisekitar 200 bar atau 2900 psi (Poulton, 1994).


Mesin Diesel

Motor diesel mempunyai banyak keunggulan antara lainMotor diesel mempunyai banyak keunggulan antara lainmempunyai tingkat efisiensi yang tinggi dengan tingkatpemakaian bahan bakar relatif rendah (Harington 1992)pemakaian bahan bakar relatif rendah (Harington,1992).

Dalam motor diesel bahan bakar diinjeksikan ke dalamili d b i i d b t k ti i S lsilinder yang berisi udara bertekanan tinggi. Selama

kompresi udara dalam silinder mesin maka suhu udarai k t hi k tik b h b k d l b t kmeningkat, sehingga ketika bahan bakar dalam bentuk

kabut halus, bersinggungan dengan udara panas ini, akanmenyala dan tidak dibutuhkan alat penyalaan dari luarmenyala, dan tidak dibutuhkan alat penyalaan dari luar.Karena alasan ini maka motor diesel disebut juga motorpenyalaan kompresi


penyalaan kompresi.

Elemen Hingga (Finite Element)

Finite Element merupakan pusat untuk menampilkanFinite Element merupakan pusat untuk menampilkananalisa teknik dari suatu model menggunakan computer.Finite element method memecahkan masalah ini denganFinite element method memecahkan masalah ini denganmembagi model yang kompleks menjadi sebuah group darielemen hingga (finite element) Element dari model finiteelemen hingga (finite element). Element dari model finiteelement memiliki bentuk geometri yang umum sepertirectangles triangles dan tetrahedralrectangles, triangles dan tetrahedral.


Tipe Finite Element


Load dan Boundry Conditon

Masing masing pembebanan pada model berbeda bedaMasing-masing pembebanan pada model berbeda-beda.Seperti sebuah kantilever yang dipasang di dinding, sebuahpelat yang ditumpu maka yang demikian merupakanpelat yang ditumpu, maka yang demikian merupakankondisi batas (boundry condition)


Load dan Boundry Conditon

Pelat dicekam

Pelat diberib bbeban


Perindahan Kalor

Perpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untukPerpindahan kalor (heat transfer) ialah ilmu untukmeramalkan energi yang terjadi karena adanya perbedaansuhu diantara benda atau material (Holman J P 1986)suhu diantara benda atau material (Holman J.P, 1986).Ilmu ini dapat digunakan untuk meramalkan energi yangdiperlukan untuk mengubah sistem dalam keadaandiperlukan untuk mengubah sistem dalam keadaanseimbang ke keadaan seimbang lain, tetapi tidak dapatmeramalkan kecepatan perpindahan itumeramalkan kecepatan perpindahan itu.


Perindahan Kalor Konveksi

Sudah umum diketahui bahwa plat logam panas akanSudah umum diketahui bahwa plat logam panas akanmenjadi dingin lebih cepat bila ditaruh didepan kipas angindibandingkan bilamana ditempatkan di udara tenang Kitadibandingkan bilamana ditempatkan di udara tenang. Kitakatakan bahwa kalor dikonveksi atau dipindahkan ke luar,dan proses ini dinamakan perpindahan kalor secaradan proses ini dinamakan perpindahan kalor secarakonveksi.


METODOLOGIMETODOLOGI


Flow Chart Penulisan


Data Mesin

Item UnitCombustion System Direct injection system

Type Single cylinder, vertical-4 cycle air cooled d l

ypdiesel

Number of cylinder 1

Bore mm 86

St k 70Stroke 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 1900Speed at no load RPM

max : 3800 1900 3800 1900

min : 1200 600 1200 600

Sumber : YANMAR Service Manual 2003


Piston

Piston original Piston yang dimodifikasi


ANALISA DAN ANALISA DAN PEMBAHASAN


Definisi UmumAnalisa 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 makatorsi, pressure dan distribusi thermal akan bervariasi. Kemudiandilakukan analisa tegangan (stress) yang terjadi pada piston. Untukmengetahui tegangan yang terjadi dapat diterima oleh piston yaitudengan parameter tegangan ijindengan parameter tegangan ijin.

)yleleh(σtegangan )ijiijin(σTegangan =

σy = 505 Mpa)keamanan(nfaktor

)ijinijin(σTegangan

MPa5252505σ ==

n = 2

MPa5,2522ijinσ ==


Jenis Volume pada Piston


Untuk menghitung CR, yaitu :Inputan Data

Clearencehole

Clearenceholestroke

VVVVVCR

+++

=

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

10 5.90 5.20 406285.44 10384.86 34244.06 64.80

Mechanical Properties Duralaluminium :

Inputan Data Mechanical Properties Duralaluminium :

Density 2600-2800 kg/m3

Melting Point 660 °CAnalisa Struktur

gElastic Modulus 70-79 GPaPoisson's Ratio 0.33Tensile Strength 230 570 MPa

Analisa Struktur

Analisa Struktur

Tensile Strength 230-570 MPaYield Strength 215-505 MPaPercent Elongation 10-25%

Analisa Struktur & Termal

A TThermal Conductivity 200 W/m.K Analisa Termal

Inputan Data

CRTekanan

Maksimal (bar)

Tekanan Maksimal (N/mm2)

CRTemp.

Head (OC)Temp. max

(OC)Heat Transfer

(W/mm2)

20 28 317 85 1750 20120.28 86.64 8.664

19 81.21 8.12117 72.83 7.283

20.28 317.85 1750 201

19 317.85 1750 193

17 317.85 1790 180

15 64.51 6.45113 56.32 5.63210 44.13 4.413

15 317.85 1820 167

13 317.85 1850 154

10 317.85 1910 132

Data untuk AnalisaStruktur

Data untuk AnalisaThermal


Meshing dan Boundry Condition Untuk Analisa StrukturUntuk Analisa Struktur

Memesukkan Pressure d M d lpada Model

Piston dicekam padaLubang Piston pin

Elemen tipe Tetrahedral dengan rasio 0.3


Hasil Siulasi Untuk Analisa StrukturStruktur

339 N/mm2

Tegangan terbesar terjadi pada daerah lubang piston pin


Data Tegangan Hasil Analisa StrukturStruktur

Tekanan TekananStress (N/mm2)

CRTekanan

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 420 819 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 0 065 420 815 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


Data Tegangan Hasil Analisa StrukturDari data diatas, maka dapat diketahui bahwa pada CR 13dan 10 tekanan yang terjadi pada cylinder masih dapat

Struktur

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

i ti 13 d 10compression ratio 13 dan 10.


Meshing dan Boundry Condition Untuk Analisa StrukturUntuk Analisa Struktur

Memesukkan Temperatur(oC) d H t (W/ 2)

Heat Convection pada

(oC) dan Heat (W/mm2)

pdaerah ring piston danskirt piston

Elemen tipe Tetrahedral dengan rasio 0.3


Meshing dan Boundry Condition Untuk Analisa Struktur 1750 oCUntuk Analisa Struktur

Temperatur terbesarpada piston head

1750 oC


Data Tegangan Hasil Analisa TermalTermal

Distr. Temp.(oC) Heat Flux (W/mm2)CR

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

max min max min

20 28 1750 1740 1 45 2 06 x10‐420.28 1750 1740 1.45 2.06 x10 4

19 1750 1740 1.47 2.15 x10‐4

17 1790 1780 1 49 2 45 10 417 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


Data Tegangan Hasil Analisa TermalDari data-data diatas dapat diketahui, bahwa distribusitemperature yang paling besar terdapat pada CR 10

Termal

temperature yang paling besar terdapat pada CR 10dengan temperature maksimal 1910oC dan heat flux palingbesar yaitu 1.51 W/mm2 pada CR 10.y p


KESIMPULAN DAN SARANKESIMPULAN DAN SARAN


Kesimpulan

1. Tegangan yang terjadi pada piston terbeser pada CR 20.28yaitu 339 N/mm2 yang terletak di daerah sekitar lubangi t i K t k ili d t b d CR t b tpiston pin. Karena tekanan silinder terbesar pada CR tersebut

yaitu 8.664 bar. Perubahan tegangan menurun secara gradualseiring dengan pemotongan pistonseiring dengan pemotongan piston.

2. Distribusi temperature terbesar yaitu pada CR 10 yaitud t t 1910oC k d CR t b t b hdengan temperature 1910oC, karena pada CR tersebut bahanbakar dan udara yang disemprotkan lebih banyak. Sedangkandistribusi temperatur yang terkecil pada CR 20 28 yaitudistribusi temperatur yang terkecil pada CR 20.28 yaitu1750oC.


Kesimpulan (Cont.)

3. Tegangan pada CR 10 dan 13 masih dapat diterima olehpiston, karena tegangan maksimal lebih kecil dari teganganijin. Tegangan pada CR 10 dan 13 yaitu 171 dan 221 N/mm2,sedangkan tegangan ijin yaitu 252.2 N/mm2.


Saran

1. Penulisan hanya menganalisa tegangan (stress) dandistribusi temperature, diharapkan pada penulisansetelahnya dapat menghitung tegangangan termalsetelahnya dapat menghitung tegangangan termal(thermal stress) pada piston.

2 Pengaruh performa akibat pemotongan piston tidak2. Pengaruh performa akibat pemotongan piston tidakdiperhitungkan dalam penulisan ini, diharapkan untukselanjutnya dapat dianalisa pula pengaruh performaj y p p p g pmesin terhadap pemotongan piston head.


Saran

3. Diharapkan untuk penulisan selanjutnya dapamenghitung tinjauan ekonomis akibat konversi mesindiesel menjadi mesin berbahan bakar gas inidiesel menjadi mesin berbahan bakar gas ini.

4. Pemotongan yang dilakukan pada piston head untukmemperbesar compression ratio akan merubah tinggimemperbesar compression ratio akan merubah tinggiclearance silinder, dengan demikian diharapkanpenulisan selanjutnya hanya memperbesar swirl pistonp j y y p psaja, sehingga tinggi clearance silinder tidak berubah.


WASSALAMU’ALAIKUM, WR, WB.

TERIMA KASIHTERIMA KASIH


Presentasi P3

Documents

ASSALAMU’ALAIKUM, WR, WB