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

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
MEDAN
2016

i
Universitas Sumatera Utara

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 %.

Kata kunci :Motor Bakar, Mesin Diesel,Sistem Dua Bahan Bakar, Biogas,
Komputerisasi Dinamika Fluida.

ii
Universitas Sumatera Utara

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%.

Key Words :Internal Combustion Engine, Diesel Engine, Dual Fuel System,
Biogas, Computerized Fluid Dynamic.

iii
Universitas Sumatera Utara

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.

PT. Multimas Nabati Asahan beserta seluruh Staff dan Pegawai karena telah
memberikan kesempatan penelitian dan pengambilan gas methan (biogas)
sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini.

iv
Universitas Sumatera Utara

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 satupersatu yang selalu menemani dan memberikan masukan serta semangat
kepada penulis.

8.

Bang Irvan Aspidar, Abang-abang stambuk 2009, 2010 dan Semua adekadek 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

Teguh Iman Widodo
NIM. 110401054

v
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR ISI

ABSTRAK .........................................................................................................i
KATA PENGANTAR .......................................................................................iii
DAFTAR ISI ......................................................................................................v
DAFTAR GAMBAR .........................................................................................viii

DAFTAR TABEL .............................................................................................x
DAFTAR NOTASI ............................................................................................xi
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
2.6.3 Torsi ...................................................................................26

vi
Universitas Sumatera Utara

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
4.1.3 Penyebaran Kecepatan .......................................................67

vii
Universitas Sumatera Utara

4.2

Perbandingan dengan Hasil Eksperimen ......................................72

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1

Kesimpulan ....................................................................................78

5.2

Saran ..............................................................................................78

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................xii
LAMPIRAN .......................................................................................................xiv

viii
Universitas Sumatera Utara

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
Gambar 3.11 Mesh yang Sudah dibentuk .........................................................58

ix
Universitas Sumatera Utara

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 4.2

Penyebaran Tekanan di Sudut 360º .............................................64

Gambar 4.3

Penyebaran Tekanan di Sudut 450º .............................................65

Gambar 4.4

Penyebaran Tekanan di Sudut 540º .............................................65

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 4.9

Penyebaran Temperatur di Sudut 360º ........................................69

Gambar 4.10 Penyebaran Temperatur di Sudut 450º ........................................70
Gambar 4.11 Penyebaran Temperatur di Sudut 540º ........................................70
Gambar 4.12 Grafik Temperatur Rata-Rata vs Crank Angle ............................71
Gambar 4.13 Penyebaran Vector Kecepatan di Sudut 270º ..............................72
Gambar 4.14 Penyebaran Vector Kecepatan di Sudut 360º ..............................72
Gambar 4.15 Penyebaran Vector Kecepatan di Sudut 450º ..............................73
Gambar 4.16 Penyebaran Vector Kecepatan di Sudut 540º ..............................73
Gambar 4.17 Penyebaran Streamline Kecepatan di Sudut 270º........................74
Gambar 4.18 Penyebaran Streamline Kecepatan di Sudut 360º........................74
Gambar 4.19 Penyebaran Streamline Kecepatan di Sudut 450º........................75
Gambar 4.20 Penyebaran Streamline Kecepatan di Sudut 540º........................75
Gambar 4.21 Grafik Turbulent Kinetik Energi Rata-Rata vs Crank Angle ......76

x
Universitas Sumatera Utara

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

Tabel 4.4

Hasil Perhitungan Efisiensi untuk Bahan Solar + Biogas
2 l/min..........................................................................................81

xi
Universitas Sumatera Utara

DAFTAR NOTASI
SIMBOL

KETERANGAN

SATUAN

HHV

Nilai Kalor Atas

J

LHV

Nilai Kalor Bawah

J

PB

Daya Poros

Watt

T

Torsi Mesin

Nm

n

Kecepatan Putaran Mesin

rpm

ηth

Efiiensi Thermal

%

M

Massa

kg

ṁ

Laju Aliran Massa

kg/s

i

Sub-index : 1,2,3

j

Sub-index : 1,2,3

t

Waktu

s

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

Fx

Gaya Terhadap Sumbu-x

N

ax

Percepatan Terhadap Sumbu-x

m/s 2

p

Tekanan Statis

Pa

σx

Tegangan Fluida Terhadap Sumbu-x

N/m2

Tegangan Fluida Terhadap Sumbu-y

N/m2

Tegangan Fluida Terhadap Sumbu-z

N/m2

μ

Viskositas

Pa s

Ẇ x

Usaha per Satuan Waktu

J/s

V

Volume

m3

q̇

Flux (Aliran) Panas

J/s

T

Temperatur

K

γ

Rasio Kalor Spesifik cp /cv

σy
σz

k

Energi Kinetik Turbulen

J/kg

ε

Tingkat Hilangnya Energi

m2 /s2

xii
Universitas Sumatera Utara