Studi Pengaruh Konfigurasi Desain Knalpot terhadap fenomena Backpressure pada Sistem Pembuangan Gas Mesin Diesel

Pendahuluan

Sistem pembungan gas pada mesin – mesin pembakaran dalam berfungsi untuk membuang gas sisa hasil pembakaran bahan bakar pada silinder mesin yang secara umum terdiri dari beberapa fraksi bahan bakar yang tidak terbakar, Karbon Dioksida (CO2), Karbon Monoksida (CO), Nitrogen Dioksida (NO2), Sulfur Dioksida (SO2), Fosfor, dan terkadang molekul – molekul logam berat seperti Timah dan Molybdenum [2]. Karakteristik dari gas buang dari mesin pembakaran dalam ini mempunyai sifat yang bising dan bertemperatur tinggi. Oleh karena itu, diperlukan knalpot sebagai suatu sistem pembuangan yang dapat mengurangi energy akustik dari gas buang.

Secara umum, konfigurasi desain dari knalpot terbagi dalam dua tipe yaitu, reaktif dan absorpsi [1]. Dimana knalpot tipe reaktif beroperasi atas dasar fenomena interferensi destruktif untuk mengurangi kebisingan yang diakibatkan oleh pulsa tekanan dari gas buang. Dapat diperhatikan pada gambar 1, bentuk tipikal dari knalpot tipe reaktif yang terdiri dari ruang resonansi serta tabung (biasanya tabung perforasi atau berlubang – lubang) inlet dan outlet yang, umumnya pada desain knalpot tipe reaktif, tidak terletak pada satu sumbu atau mempunyai simpangan jarak (offset). Hal ini didesain demikian untuk menghasilkan tumbukan antara gas buang pada ruang resonansi atau dalam kata lain memperbanyak interferensi destruktif pada pulsa tekanan dari ruang bakar. Dengan catatan, untuk menghasilkan interferensi destruktif yang sempurna, diperlukan interferensi gelombang dengan amplitudo yang sama dengan perbedaan sudut fasa sebesar 180o.

Sedangkan knalpot dengan tipe absorpsi adalah sistem pembuangan gas yang beroperasi dengan prinsip mengubah pulsa tekanan atau kebisingan dari gas yang berasal dari ruang bakar menjadi energy panas dengan menggunakan sebuah material insulasi yang bersifat absorptive. Dapat diperhatikan pada gambar 2, knalpot tipe absorpsi. Pada knalpot tipe absorpsi, tabung yang berfungsi untuk membuang gas hasil pembakaran hanya berjumlah satu, dimana tabung ini adalah juga pipa perforasi (berlubang – lubang).

Gambar 1. Knalpot tipe reaktif

Dapat disimpulkan dari perbandingan kedua jenis tipe knalpot, reaktif dan absorpsi, bahwa knalpot dengan tipe reaktif mempunyai atenusi suara (kebisingan) yang lebih besar jika dibandingkan dengan knalpot tipe absorpsi. Hal ini dikarenakan, pada knalpot tipe reaktif, terjadi tumbukan – tumbukan antara gas pembuangan hasil pembakaran, yang logikanya dapat mengurangi pulsa tekanan dari keluaran ruang bakar akibat interferensi destruktif yang disebabkan oleh geometri yang menyebabkan adanya aliran diskontinuitas pada gas pembuangan hasil pembakaran.

Gambar 2. Knalpot tipe absorpsi

Peninjauan yang berangkat dari sisi kebisingan tentunya menyimpulkan bahwa knalpot tipe reaktif merupakan jenis knalpot yang lebih baik dibandingkan dengan knalpot tipe absorpsi. Namun, permasalahannya tidak semudah itu. Dikarenakan banyaknya tumbukan – tumbukan antara gas hasil pembakaran pada knalpot tipe reaktif, maka momentum gas buang akan berkurang dan terdisipasi menjadi panas pada material knalpot, ditambah dengan efek pendinginan yang lebih besar diakibatkan oleh semakin lamanya gas pembuangan mempunyai waktu untuk memberikan panasnya terhadap material knalpot yang dengan seperti ini akan mengakibatkan densitas (berat jenis) gas bertambah. Dengan demikian, hal ini mengurangi kemampuan gas buang untuk mengalir dan menyebabkan fenomena backpressure terjadi.

Pada kenalpot dengan tipe absorpsi, hanya terdapat satu tabung yang dengan demikian maka tidak terdapat tumbukan – tumbukan gas buang dan diskontinuitas aliran gas buang, dimana atenuasi suara hanya diperoleh dengan menggunakan material insulasi yang bersifat absorptive. Maka, pada knalpot tipe absorptive, fenomena backpressure yang terjadi tidak akan sebesar pada knalpot tipe reaktif. Dapat disimpulkan pada pembahasan di atas bahwa, semakin tinggi performa atenusi suara, maka akan semakin besar pula backpressure yang terjadi pada sistem pembuangan gas. Fenomena backpressure ini dapat dilihat melalui kecepatan aliran gas pembuangan pada outlet knalpot. Pada mesin diesel 5 silinder @ 2700 cc, aliran gas yang paling baik dalam merepresentasikan tidak terjadinya backpressure pada sistem pembuangan adalah sebesar 62 m/s [3].

Dari pembahasan di atas, jelas bahwa fenomena backpressure merupakan faktor penting untuk mempertahankan daya keluaran mesin, oleh karena itu, diperlukan pemahaman bersama terhadap fenomena backpressure yang menjelaskan bahwa semakin besar backpressure yang terjadi, maka akan semakin kecil daya keluaran dari mesin. Dengan demikian, akan dilakukan studi berupa pengamatan terhadap simulasi aliran untuk melihat pengaruh beberapa variasi parameter konfigurasi perancangan terhadap fenomena backpressure yang akan dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CFDSOF. Dimana CFDSOF adalah sebuah perangkat lunak Computational Fluid Dynamic berdasarkan perhitungan numerik metode volume hingga.

 

Variasi Parameter Konfigurasi Perancangan pada Simulasi

Beberapa variasi parameter konfigurasi perancangan knalpot akan ditetapkan untuk dengan kemudian disimulasikan pada perangkat lunak CFDSOF untuk melihat pengaruh konfigurasi perancangan terhadap besarnya backpressure yang terjadi. Berikut beberapa kegiatan simulasi yang akan dilakukan berdasarkan variasi konfigurasi perancangan knalpot,

  1. Fenomena Backpressure pada konfigurasi perancangan knalpot tipe reaktif dan tipe absorpsi (rancangan belum ditetapkan)
  2. Pengaruh offset tabung inlet dan outlet terhadap fenomena backpressure pada knalpot tipe reaktif
  3. Pengaruh diameter tabung terhadap fenomena backpressure
  4. Pengaruh sambungan reduksi terhadap fenomena backpressure pada knalpot

Berdasarkan persamaan kontinuitas, semakin besar luas penampang (diameter tabung) maka akan semakin kecil kecepatan aliran fluida, yang dengan demikian mengartikan bahwa semakin besar diameter tabung maka akan semakin lama waktu untuk gas buang mendisipasikan panasnya ke material knalpot yang pada akhirnya akan menyebabkan semakin besarnya densitas gas yang mengakibatkan semakin besarnya backpressure yang terjadi. Namun, jika hanya mengacu pada persamaan kontinuitas, akan diperoleh diameter pipa yang sekecil mungkin untuk menghasilkan backpressure yang sekecil mungkin pula dimana hal ini tentunya akan berakibat pada kecilnya performa sistem pembuangan pada atenuasi pulsa tekanan gas buang. Oleh karena itu, perlu untuk mencari nilai diameter tabung yang optimal di dalam interval nilai temperatur yang diakibatkan oleh perpindahan panas secara konduksi. Hal ini disimpulkan demikian karena interval nilai temperatur operasional tertentu pada berbagai spesifikasi manufaktur sistem pembuangan merepresentasikan lamanya gas pembuangan hasil pembakaran di dalam knalpot (tergantung terhadap kecepatan gas buang), atau lamanya gas pembuangan akan mendisipasikan pulsa tekanan ke material insulasi absorptive (pada knalpot tipe absorpsi) atau, lamanya gas pembuangan akan bertumbukan untuk menghasilkan interverensi destruktif (pada knalpot tipe reaktif). Jadi, dapat disimpulkan, interval temperatur tertentu yang sesuai berdasarkan beberapa  manufaktur knalpot akan sebanding dengan toleransi atenuasi pulsa tekanan yang diinginkan (data belum ada).

Kemudian, mengenai variasi simulasi terakhir yang berupa pengaruh sambungan reduksi terhadap fenomena backpressure mengacu kepada Mehmet Avcu et al [4], yang mengamati pengaruh peletakan sambungan reduksi terhadap besarnya backpressure yang terjadi pada sistem pembuangan mesin diesel model MTU 16V 4000 M90. Dengan gambar modelnya adalah sebagai berikut.

Gambar 3

Gambar 4

Pada gambar di atas, dapat diperhatikan perancangan berdasarkan peletakan sambungan reduksi oleh Mehmet Avcu et al [4] pada mesin diesel model MTU 16V 4000 M90, yang berdasarkan simulasi menghasilkan kesimpulan bahwa perancangan berdasarkan peletakan sambungan reduksi seperti pada gambar 4 menghasilkan backpressure yang lebih kecil dibandingkan dengan peletakan sambungan reduksi seperti pada gambar 3.  Oleh karena itu, akan diamati simulasi sesuai peletakan sambungan reduksi pada sistem pembuangan gas dengan konfigurasi perancangan knalpot reaktif dan absorpsi sesuai dengan hasil pengamatan dari simulasi sebelumnya (poin 1 sampai 3 variasi konfigurasi perancangan pada simulasi).

 

Referensi

[1]     Potente, Daniele. General Design Principle for an Automotive Muffler. Proceeding of ACOUSTICS 2005.

[2]     Exhaust Theory. www.nsxprime.com. 17 April 2012. Pukul 03.14 WIB.

[3]     B.-H. Song, Y.-H. Choi. Development of Quantitative Measuring Technique to Find Critical Flow Condition for Preventing Soot Deposit Accumulated in The Diesel Exhaust System Using Main Muffler Composed of Three Chamber. International Journal of Automotive Technology, Volume 10, No. 4, pp. 405 – 411 (2009)

[4]     Mehmet Avcu et al. MTU 16V 4000 M90 BRAND/MODEL DIESEL ENGINE EXHAUST SYSTEM DESIGN. Journal of Naval Science and Engineering 2010, Vol. 6 , No.1, pp. 39-58.

  1. No trackbacks yet.

Tinggalkan Balasan

Isikan data di bawah atau klik salah satu ikon untuk log in:

Logo WordPress.com

You are commenting using your WordPress.com account. Logout / Ubah )

Gambar Twitter

You are commenting using your Twitter account. Logout / Ubah )

Foto Facebook

You are commenting using your Facebook account. Logout / Ubah )

Foto Google+

You are commenting using your Google+ account. Logout / Ubah )

Connecting to %s

%d blogger menyukai ini: