TUGAS AKHIR – LS 1336

ANALISA PEMBAKARAN PADA DUAL FUEL DIESEL ENGINE BERBAHAN BAKAR UTAMA COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) DENGAN METODE PEMODELAN Rendra Yogi Januar H NRP 4204.100.047 Dosen Pembimbing I MADE ARIANA, ST. MT. Dr.MarSc JURUSAN TEKNIK SISTEM PERKAPALAN Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009

Tugas Akhir – LS 1336 ANALISA PEMBAKARAN PADA DUAL FUEL DIESEL ENGINE BERBAHAN BAKAR UTAMA COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) DENGAN METODE PEMODELAN RENDRA YOGI JANUAR H NRP 4204.100.047 Dosen Pembimbing I MADE ARIANA, ST. MT. Dr.MarSc JURUSAN TEKNIK SISTEMPERKAPALAN Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2009

FINAL PROJECT – LS 1336 MODELING METHOD OF COMBUSTION ANALYSIS ON MAIN FUEL COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) ON DUAL FUEL DIESEL ENGINE RENDRA YOGI JANUAR H NRP 4204.100.047 Guide Lecturer I MADE ARIANA, ST. MT. Dr.MarSc DEPARTEMENT OF MARINE ENGINEERING Faculty of Marine Technology Sepuluh Nopember Instituts of Technology Surabaya 2009

iii

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA PEMBAKARAN PADA DUAL FUEL DIESEL ENGINE BERBAHAN BAKAR UTAMA COMPRESSED

NATURAL GAS (CNG) DENGAN METODE PEMODELAN

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada

Bidang Studi Marine Power Plan Plant (MPP) Program Studi S-1 Jurusan Teknik Sistem Perkapalan

Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :

RENDRA YOGI JANUAR H NRP. 4204 100 047

SURABAYA

FEBRUARI, 2009

iv

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

v

LEMBAR PENGESAHAN

ANALISA PEMBAKARAN PADA DUAL FUEL DIESEL ENGINE BERBAHAN BAKAR UTAMA COMPRESSED

NATURAL GAS (CNG) DENGAN METODE PEMODELAN

TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik pada

Bidang Studi Marine Power Plan Plant (MPP) Program Studi S-1 Jurusan Teknik Sistem Perkapalan

Fakultas Teknologi Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh :

RENDRA YOGI JANUAR H NRP. 4204 100 047

SURABAYA FEBRUARI, 2009

vi

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

vii

ANALISA PEMBAKARAN PADA DUAL-FUEL DIESEL ENGINE BERBAHAN BAKAR UTAMA COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) DENGAN

METODE PEMODELAN

Nama Mahasiswa : Rendra Yogi Januar H NRP : 4204 100 047 Jurusan : Teknik sistem Perkapalan FTK-ITS Dosen Pembimbing : I Made Ariana, ST. MT. Dr.MarSc

Abstrak Pada mesin diesel, penyalaan bahan bakar terjadi karena

bahan bakar diinjeksikan ke dalam silinder yang berisi udara dengan kondisi temperature dan tekanan tinggi. Pada saat ini tengah dikembangkan mesin diesel dengan menggunaka 2 bahan bakar, dan salah sarunya adalah mesin diesel dengan bahn bakar utama Compressed Natural Gas (CNG). Komposisi pencampuran antara CNG dan fuel oil (C19H30) perlu diperhatikan. Mesin yang digunakan untuk dianalisa merupakan dual fuel diesel engine dengan CNG sebagai bahan bakar utama. Pada tugas akhir ini, akan dilakukan simulasi dengan memanfaatkan software FLUENT untuk menggambarkan hasil dari proses pembakaran pada mesin deiesel khususnya pada tekanan dan temperatur hasil dari pembakaran berdasarkan variasi dari komposisi antara Compressed Natural Gas (CNG) dengan Fuel Oil pada putaran mesin diesel 2000 rpm. Tekanan terbesar di dalam ruang bakar didapat pada komposisi CNG sebesar 85% dan fuel oil (C19H30) sebesar 15 % yang mencapai nilai 73.93 bar pada kondisi crank angle 360o. Kata kunci : dual-fuel diesel engine, pemodelan, CNG

viii

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

ix

COMBUSTION ANALYSIS ON DUAL FUEL DIESEL ENGINE USING COMPRESSED NATURAL GAS (CNG) AS THE MAIN FUEL WITH MODELING

SYSTEM

Name of student : Rendra Yogi Januar H NRP : 4204 100 047 Department : Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS Lecture consellor : I Made Ariana, ST. MT. Dr.MarSc

Abstrak

At diesel engine, fuel flaming happen because fuel injected into air filled cylinder with high temperature and pressure condition.. Because of that, diesel engine also called as compress flaming engine. At the moment, diesel engine with two fuels is still developing, and one of them is Compressed Natural Gas ( CNG ) main fueled diesel engine. Mixing composition between CNG and fuel oil (C19H30 ) watchfully needed. Engine which use to analize is a dual fuel diesel engine with CNG as its main fuel. At this final project, it will simulated by using software FLUENTto describe the combustion process of diesel engine, especially at combustiuon output pressure and temperature based on variation of composition between Compressed NaturalGas (CNG) and Fuel Oil at engine diesel rotary 200 rpm. The biggest pressure in the combustion chamber find at CNG in the amount of 85% and fuel oil (C19H30) in the amount of 15 % composition that value is 73.93 bar at crank angle 360o. Keywords : dual-fuel diesel engine, modeling, CNG

x

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

xi

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr.Wb. Alhamdulillahirobbil ’alamiin, puji syukur kehadirat

Allah SWT, yang telah memberikan limpahan rahmat, taufiq, serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan dengan baik Tugas Akhir yang berjudul “Analisa Pembakaran pada Dual Fuel Diesel Engine Berbahan Bakar Utama Compressed Natural Gas (CNG) dengan Metode Pemodelan” ini tepat pada waktunya.

Dukungan dan bantuan dari berbagai pihak baik material maupun non-material sangat bermanfaat dalam proses penyelesaian Tugas Akhir ini. Oleh karenanya, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ibunda dan Ayah tercinta Ibu Sri Suspatminarti dan Bapak

Samsun yang tak pernah sedikitpun merasa lelah untuk memberikan dukungan materi dan doa demi keberhasilan penulis.

2. Kedua adik di rumah Jember M. Fauzan (ujang) dan dedek kecil Aisyah Farah yang menjadi pendorong semangat untuk penulis menyelesaikan karya ini.

3. Bapak Ir. Alam Baheramsyah M.Sc selaku Ketua Jurusan Teknik Sistem Perkapalan yang telah banyak membantu penulis.

4. Bapak Ir. Indrajaya Gerianto. M.Sc. selaku ketua bidang MPP, Bapak I Made Ariana, ST. MT. Dr.MarSc selaku dosen pembimbing, Irfan Syarif Arief, ST., MT. Selaku dosen wali, beserta seluruh dosen dan karyawan JTSP yang telah memberikan ilmu dan fasilitas selama ini.

5. Ratih dan Suroto yang telah menjadi tutor dan mendampingi penulis dalam pengerjaan simulasi menggunakan software FLUENT

6. Widodo, rekan seperjuangan (susah-senang) bahkan motivator dalam pengerjaan tugas akhir penulis (suwun banget ya do.....)

xii

7. Ria yang langsung ataupun tidak menjadi inspirasi dan pemberi semangat kepada penulis untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini.

8. Teman-teman Mar’s 04 yang selalu menyemangati penulis “We never die.......”.

9. Teman-teman Lab Mesin Fluida dan Sistem (Totok, Mbugh, Sumrinthil, Adib, Deni, Sarbo, Nyongki), terima kasih atas kerjasamanya selama ini mulai serius, refreshing, sampek gila-gila’an bereng (suwun banget rek.....).

10. Putra, terimakasih sangat atas bantuannya dalam penulisan abstrak dalam bahasa Inggris.

11. Temen-temen kos GL 36 (Juni, Izdan, Fwlix, Windu, Suhar, Alim, Andre, Risal, Aris) yang selalu memberikan semangat dan dorongan kepada penulis untuk menyelesaikan tugas ini.

Penulis menyadari dengan sangat bahwa Tugas Akhir ini masih jauh kesempurnaan karena kendala beberapa, yang diantaranya adalah waktu, fasilitas, dan ilmu yang dimiliki penulis dalam penyelesaiannya.

Saran dan masukan yang membangun sangat penulis harapkan demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Semoga Laporan Tugas Akhir ini bermanfaat bagi kita semua. Amiin.

Wassalamualaikum Wr. Wb

Surabaya, Februari 2009

Penulis.

xiii

DAFTAR ISI Halaman Judul .................................................................... i Lembar Pengesahan ........................................................... iii Abstrak .............................................................................. vii Abstract ............................................................................. ix Kata Pengantar .................................................................. xi Daftar Isi ............................................................................ xiii Daftar Gambar ................................................................... xvii Daftar Tabel ....................................................................... xxi Daftar Grafik ..................................................................... xxiii BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang .................................................. 1 1.2 Perumusan Masalah .......................................... 2 1.3 Batasan Masalah ............................................... 3 1.4 Tujuan Tugas Akhir .......................................... 3 1.5 Manfaat Tugas Akhir ........................................ 3 1.6 Sistematika Penulisan ....................................... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Compressed Natural Gas(CNG) .......................... 7 2.1.1 Pendahuluan ................................................ 7 2.1.2 Komposisi Natural Gas (Gas Alam)........... 8 2.1.3 Keuntungan dan Kerugian Compressed

Natural Gas (CNG) ................. ................... 11 2.1.3.1 Kelebihan ................. ...................... 11 2.1.3.2 Kekurangan ................. ................... 11

2.2 Teknologi Mesin Diesel ....................................... 12 2.2.1 Penggolongan Mesin Diesel ........................ 12

2.2.1.1 Penggolongan Berdasar Langkah Kerja ............................................... 12

xiv

2.2.1.2 Penggolongan Berdasar Injeksi Bahan Bakar .................................. 14

2.2.1.3 Penggolongan Berdasar Bahan Bakar .............................................. 15

2.2.2 Konversi Mesin Diesel ............................... 16 2.2.2.1 Mesin Diesel Konvensional ........... 16 2.2.2.2 Mesin Diesel Dual Fuel ................. 16

2.3 Pemodelan dengan Metode Komputasi ............... 22 2.3.1 Pendahuluan ............................................... 22 2.3.2 Pemodelan Menggunakan Fluent ............... 23

BAB III METODOLOGI

3.1 Flowchart/Diagram Alir Penulisan Tugas akhir .. 25 3.2 Studi Literatur ...................................................... 26 3.3 Pengumpulan data mesin diesel dual fuel ............ 26 3.4 Pemodelan ........................................................... 27 3.5 Output Report ...................................................... 28 3.6 Validasi Pemodelan ............................................. 28 3.7 Analisa Data ........................................................ 28 3.8 Kesimpulan dan Saran ......................................... 28

BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Utama .......................................................... 29 4.1.1 Data Mesin Diesel . .................................... 29 4.1.2 Data Bahan Bakar ...................................... 30 4.2 Perhitungan dan Pemodelan ................................. 30

4.2.1 Perhitungan Dasar....................................... 30 4.2.1.1 Perhitungan Volume Silinder ....... 30 4.2.1.2 Perhitungan Tekanan .................... 32 4.2.1.3 Perhitungan Temperatur ............... 34

4.2.2 Pemodelan Menggunakan Fluent .............. 35 4.2.2.1 Penggambaran Pada Gambit ........ 36

4.2.2.1.1 Penggambaran Pada Gambit 37 4.2.2.1.2 ProsesMeshing .................... 37 4.2.2.1.3 Penentuan Kondisi Batas ..... 38

xv

4.2.2.2 Proses Pemodelan pada Fluent ............ 41 4.2.2.2.1 Pemilihan Solver .................. 41 4.2.2.2.2 Pemilihan Solver .................. 42 4.2.2.2.3 MenetukanKondisi Batas ..... 48 4.2.2.2.4 Proses Iterasi ........................ 48

4.3 Analisa Hasil Iterasi .............................................. 50 4.3.1 Analisa Bidang Kerja.................................. 50

4.3.2 Analisa Tekanan ......................................... 57 4.3.3 Analisa Temperatur .................................... 60 4.3.4 Analisa Fraksi Massa .................................. 62 4.3.5 Analisa SFOC ............................................. 65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ........................................................ 67 5.2 Saran .................................................................. 67 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

xvi

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Posisi patural gas di ladang pengeboran ........ 8 Gambar 2.2 Mekanisme kerja mesin diesel 2 langkah ...... 13 Gambar 2.3 Mekanisme kerja mesin diesel 4 langkah ..... 13 Gambar 2.4 Mesin diesel direct injection ......................... 14 Gambar 2.5 Mesin diesel indirect injection ...................... 16 Gambar 2.6 Mekanisme kerja mesin diesel konvensional

4 langkah ....................................................... 19 Gambar 2.7 Mekanisme kerja mesin diesel dual fuel ........ 21 Gambar 3.1 Flowchart pengerjaan Tugas Akhir ............... 25 Gambar 3.2 Flow chart pengerjaan pemodelan

menggunakan FLUENT ................................ 27 Gambar 4.1 Silinder dan ruang bakar diesel pada

software gambit ............................................. 37 Gambar 4.2 Gambar meshing silinder dan ruang bakar

diesel .............................................................. 38 Gambar 4.3 Penentuan bidang kerja sebagai masukan

sejumlah massa dan tekanan .......................... 39 Gambar 4.4 Penentuan bidang kerja (ruang bakar)

sebagai volume yang terisi fluida .................. 40 Gambar 4.5 Ekspor file gambar hasil meshing dalam

ekstensi msh................................................... 40 Gambar 4.6 Pemilihan versi FLUENT untuk melakukan

simulasi .......................................................... 41 Gambar 4.7 Bidang kerja pada FLUENT .......................... 42 Gambar 4.8 Hasil pembacaan file gambar pada FLUENT 43 Gambar 4.9 Hasil grid-check file gambar pada FLUENT . 43 Gambar 4.10 Pemilihan viscous model pada FLUENT ...... 44 Gambar 4.11 Pemilihan material untuk direaksikan ........... 45 Gambar 4.12 Pemilihan solver untuk reaksi pembakaran

pada FLUENT ............................................... 46 Gambar 4.13 Pemilihan persamaan energi untuk

dimunculkan pada proses reaksi .................... 46

xviii

Gambar 4.14 Penentuan initialize untuk reaksi pembakaran pada FLUENT .............................................. 47

Gambar 4.15 Penentuan kondisi batas bidang kerja ............ 48 Gambar 4.16 Proses Iterasi .................................................. 49 Gambar 4.17 Kontur temperatur hasil reaksi pembakaran

dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 5% - Fuel oil 95% pada 360o CA................... 50

Gambar 4.18 Kontur tekanan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 5% - Fuel oil 95% pada 360o CA................... 51

Gambar 4.19 Kontur tekanan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 10% - Fuel oil 90% pada 360o CA ................ 51

Gambar 4.20 Kontur temperatur hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 10% - Fuel oil 90% pada 360o CA ................ 52

Gambar 4.21 Kontur tekanan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 15% - Fuel oil 85% pada 360o CA ................ 52

Gambar 4.22 Kontur temperatur hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 15% - Fuel oil 85% pada 360o CA ................ 53

Gambar 4.23 Kontur tekanan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 20% - Fuel oil 80% pada 360o CA ................ 53

Gambar 4.24 Kontur temperatur hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 20% - Fuel oil 80% pada 360o CA ................ 54

Gambar 4.25 Kontur tekanan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 25% - Fuel oil 75% pada 360o CA ................ 54

Gambar 4.26 Kontur temperatur hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 25% - Fuel oil 75% pada 360o CA ................ 55

xix

Gambar 4.27 Kontur tekanan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 30% - Fuel oil 70% pada 360o CA ................ 55

Gambar 4.28 Kontur temperatur hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar dengan komposisi CNG 30% - Fuel oil 70% pada 360o CA ................ 55

xx

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

xxi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Komposisi gas penyusun natural gas ........... 9 Tabel 2.2 Komposisi gas penyusun natural gas di

Malaysia......................................................... 9 Tabel 2.3 Perbedaan karakteristik CNG dan diesel fuel 10 Tabel 4.1 Tabel data bahan bakar .................................. 30 Tabel 4.2 Variasi komposisi CNG dengan fuel oil ........ 57 Tabel 4.3 Tekanan hasil reaksi pembakaran pada

beberapa variasi komposisi CNG dengan fuel oil nerdasarkan besarnya CA .................. 58

Tabel 4.4 Temperatur hasil reaksi pembakaran pada beberapa variasi komposisi CNG dengan fuel oil nerdasarkan besarnya CA .................. 61

Tabel 4.5 Fraksi massa CH4 pada beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o ........................... 62

Tabel 4.6 Fraksi massa C2H6 pada beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o ........................... 63

Tabel 4.7 Fraksi massa C3H8 pada beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o ........................... 64

Tabel 4.8 Fraksi massa C19H30 pada beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o ........................... 64

Tabel 4.9 Tabel SFOC mesin pada beberapa variasi CNG dengan fueal oil .................................... 65

xxii

“Halaman ini sengaja dikosongkan”

xxiii

DAFTAR GRAFIK Grafik 2.1 Grafik hubungan CA dan tekanan pada meisn diesel ... 18 Grafik 4.1 Volume silinder berdasarkan besarnya crank angle ..... 32 Grafik 4.2 Hubungan crank angle dengan compression ratio ...... 33 Grafik 4.3 Hubungan crank angle dengan tekanan tanpa

pembakaran pada ruang bakar diesel ....................... 34 Grafik 4.4 Hubungan crank angle dengan temperatur tanpa

pembakaran pada ruang bakar diesel ....................... 35 Grafik 4.5 Hubungan tekanan hasil reaksi pembakaran

dengan besarnya CA berdasarkan variasi CNG dan fuel oil ........................................... 59

Grafik 4.6 Hubungan tekanan hasil reaksi pembakaran dengan besarnya CA berdasarkan variasi CNG dan fuel oil ........................................... 60

Grafik 4.7 Hubungan temperatur hasil reaksi pembakaran dengan besarnya CA berdasarkan variasi CNG dan fuel oil ............ 60

Grafik 4.8 Grafik temperatur tertinggi pada variasi yang ditentukan ............................................. 62

Grafik 4.9 Hubungan fraksi massa CH4 dengan beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o 63

Grafik 4.10 Hubungan fraksi massa C2H6 dengan beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o 63

Grafik 4.11 Hubungan fraksi massa C3H8 dengan beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o 64

Grafik 4.12 Hubungan fraksi massa C19H30 dengan beberapa variasi CNG-fuel oil pada CA 360o ....................................................................... 65