AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## ANALISA INPUT NOZZLE SILINDER AIR ENGINE MENGGUNAKAN SIMULASI CFD BERDASARKAN VARIASI TEKANAN
Turmudi 1) , Sumadi 2) , Edi Sutoyo 3)
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik dan Sains, Universitas Ibn Khaldun Bogor Jl.Raya K.H Sholeh Iskandar Km. 2, Kedung Badak, Bogor 16161, Jawa Barat, Indonesia email: 1 turmudi5584@gmail.com

## ABSTRAK
Silinder  udara (Air  cylinder) adalah  salah  satu  komponen  utama  pada  sistem  pneumatik,  dimana  tenaga udara  bertekanan  digunakan  untuk  mengadakan  pergerakan  linier  atau  rotasi. Nozzle input merupakan bagian  yang  terpenting  dari air  cylinder .  Untuk  memperoleh nozzle yang  optimum  maka  perlu  adanya penelitian.  Dalam penelitian ini, air cylinder pada sistem pneumatik menggunakan engine motor 2 tak dari “Yamaha  Force  One”.  Busi  yang  semula  berfungsi  untuk  memercikkan  bunga  api  di  dalam  ruang  bakar diganti  dengan nozzle . Nozzle yang  digunakan  adalah  berbentuk  convergent-divergent nozzle (C-D Nozzel ). Nozzle convergent-divergent ini terbuat dari bahan material baja SKD 11/AISI tipe A2 tool steel , dengan  panjang nozzle 62  mm  yang  terdiri  dari  3  bagian  utama  yakni  bagian inlet , throatle ,  dan outlet . Pada bagian inlet dengan panjang 22 mm, bagian throatle dengan panjang 20 mm dan bagian outlet dengan panjang  20  mm    serta  diameter    dari    masing-masing    bagian    tersebut    adalah    diameter inlet 10  mm, diameter throatle 6  mm  dan  diameter outlet 12  mm.  Hasil  perhitungan  secara  teoritis  dan  simulasi  CFD ( Computational  Fluid  Dynamic )  dengan  variasi  tekanan inlet dan  variasi  diameter outlet ,  maka  dapat diperoleh  hasil  bahwa  bentuk nozzle  convergent-divergent dengan    diameter outlet 12    mm    merupakan bentuk nozzle paling  optimum berdasarkan gaya dorong pada keluaran nozzle .
Kata kunci : Air Cylinders, C-D Nozzle, Nozzle, Sistem Pneumatik, Spark.

## ABSTRACT
Air  cylinders  are  one  of  the  main  components  in  pneumatic  systems,  while  airpower  used  for  linear  movement. Nozzle  input  is  the  most  important  part  of  the  air  cylinder.  To  get  the  optimal  nozzles  then  there  is  a  need  for research. In this study, the air cylinder in a pneumatic system using a 2 stroke engine from "Yamaha Force One". A spark plug that was originally working on to sparks in the combustion chamber is replaced by a nozzle. The Nozzle used is a convergent-divergent nozzle (C-D Nozzle). Nozzles This divergent is made of SKD 11 / AISI type A2 tool steel, with length 62 mm nozzles consisting of 3 main parts namely the inlet, throat, and outlet. On the inlet with a length of 22 mm, the throat with a length of 20 mm and the outlet with a length of 20 mm and a diameter of each of these parts is a diameter 10 mm inlet, throat diameter 6 mm and outlets 12 mm in diameter. Calculation results CFD  (Computational  Fluid  Dynamic)  with  variations in inlet pressure  and outlet  diameter variations, it  can  be obtained that the shape of the convergent-divergent nozzles with a diameter of 12 mm is the most optimal form of nozzle base thrust at the nozzle output.
Keywords : Air Cylinders, C-D Nozzle, Nozzle, Pneumatic System, Spark. .

## 1. PENDAHULUAN
Dalam dunia teknologi tenaga penggerak motor anatara  lain  meliputi  motor  penggerak  listrik, motor  tenaga  pembakaran,  motor  tenaga  uap,  gas, air  (turbin),  tenaga  panas  bumi  dan  motor  tenaga udara  bertekanan/pneumatik.  Perkembangan  dari penggunakan  energi  udara  bertekanan  /  pneumatic sudah  banyak  diaplikasikan  dalam  dunia  industri (Ka’ka,  S. ;  Muhammad,  2102)  seperti  industri
assembling , pengepakan, proses makanan, pengerjaan kayu, pandai besi, pengelasan, pembuatan  baja,  pengangkutan,  percetakan  dan lain-lain  (Sumadi  &  Alkindi,  2016). Udara bertekanan  dipakai  untuk  tujuan  otomasi  dan penghematan  tenaga  karena  kelebihannya  dalam kontruksi  yang  relatif  sederhana,  murah,  dan kemudahan  dalam  pemeliharaan  dan  operasi dibandingkan  dengan  hidrolik  minyak,  dalam
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
mekanik  dan  peralatan  listrik  (Khalid,  A ;  Raihan, 2016)
Penelitian  ini  merupakan  kelanjutan  dari penelitian  sebelumnya  (Sumadi  &  Sutisna,  2019) aplikasi  penggunaan  energi  udara  bertekanan, dalam  penelitian  ini  energi  udara  bertekanan digunakan  untuk  menggerakkan  motor  2  tak. Dalam  hal  ini engine motor  2  tak  merek  Yamaha Force  One  sebagai air  cylinder .  Busi  yang  semula berfungsi  untuk  memercikkan  bunga  api  saat proses  pembakaran  di  dalam  ruang  bakar  diganti dengan nozzle input . Nozzle input  yang  digunakan adalah  berbentuk  convergent-divergent nozzle (C- D Nozzle ). Nozzle convergent-divergent ini terbuat dari bahan material baja SKD 11/AISI type A2 tool steel,  dengan  panjang nozzle 62  mm  yang  terdiri dari 3 bagian utama yakni bagian inlet , throatle dan outlet .  Pada  bagian inlet dengan  panjang  22  mm dan  diameter 10  mm, pada bagian throatle dengan panjang  20  mm  dan  diameter  6  mm  serta  pada bagian outlet dengan panjang 20 mm  dan  diameter 12 mm.
Nozzle  input ini  sebagai  alat  yang  digunakan untuk  mengalirkan  udara  bertekanan  ke  dalam cylinder  motor  pada  kendaraan  roda  dua. Nozzle input ini memanfaatkan perbedaan kecepatan aliran udara  dan  tekanan  yang  terjadi  di  dalam Nozzle tersebut.  Perbedaan  kecepatan  aliran  udara  akan berpengaruh terhadap kecepatan mendorong piston sedangkan perbedaan tekanan berpengaruh terhadap  gaya  dorong  piston  didalam  silinder. (Tirtoatmodjo, R. ; Willyanto, 2014)
Dalam penelitian ini dibantu dengan
menggunakan metode Computational Fluid
Dynamic (CFD),  yaitu  dengan  bantuan software dari computer agar mempermudah dan mempercepat  data  hasil  analisis  (Waluyo,  2018). Bentuk nozzle input yang optimum maka dilakukan perhitungan  secara  teoritis  dan  simulasi  CFD dengan  memvariasikan  bentuk nozzle (Riani, Syamsuri,  &  Pratama,  2017).  Variasi  tersebut antara  lain  melakukan  perubahan  diameter  exit nozzle meliputi  7  mm,  8  mm,  10  mm  dan  12  mm serta  variasi  tekanan inlet yang  meliputi  3  barg,  6 bagr,  9  barg  dan  15  barg..  Gambar  Rangkaian Penggerak Pneumatik pada Motor
Penelitian ini bertujuan Mendapatkan gambaran  bentuk nozzle yang  paling  optimum sebagai nozzle input untuk Compressed Air Engine . Mendapatkan  nilai  tekanan  dan  kecepatan  udara yang  optimum  pada  keluaran nozzle dengan metode  perhitungan.  Mendapatkan  nilai  tekanan dan  kecepatan  udara  yang  optimum  pada  keluaran nozzle dengan  metode Computational  Fluid
Dynamic (CFD).  Mendapatkan  gaya  dorong (thrust)  yang  optimum  dari  keluaran nozzle untuk mendorong piston didalam cylinder mesin.
Gambar  1.   Rangkaian penggerak pneumatik pada motor

## 2. METODOLOGI
Penelitian ini menggunakan dua metode, yaitu metode  teoritis  dan  simulasi CFD.  Metode  teoritis menerapkan  semua  persamaan  dan  asumsi.   Analisa gesekan  dapat  dilakukan  dengan  baik menggunakan perangkat  lunak  CFD.  Diagram  alir  penelitian  dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar  2. Diagram alir penelitian
Tahapan Perhitungan Teoritis Pada tahap ini melakukan perhitungan- perhitungan  meliputi  perhitungan  kecepatan  outlet, tekanan  outlet, bilangan  Mach,  dan  gaya  dorong  pada variasi tekanan inlet dan variasi diameter outlet.
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## Tahapan Simulasi
Pada  tahap  ini  melakukan  melakukan  simulasi menggunakan  software  CFD  “flow  simulation” Solidworks  2014.  SolidWorks  Flow  simulation  2014 adalah  paket  tambahan  analisis  aliran fluida   yang tersedia    pada  Solidorks  untuk  mendapatkan    solusi lengkap  terhadap  gerakan fluida.  Aplikasi  lain yang dapat  ditambahkan  ke    SolidWorks    termasuk SolidWorks    Motion  dan  SolidWorks    simulation  . Sebuah    analisis  aliran    fluida    menggunakan  Flow Simulation  melibatkan    sejumlah    langkah-langkah dasar yang  ditampilkan  dalam  diagram  alir   terlihat pada Gambar 3.
Gambar  3. Diagram alir simulasi CFD

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  bab  ini  akan  disajikan  hasil  perhitungan dan simulasi menggunakan  kedua  metode teoritis  dan simulasi  beserta  perbandingan antara keduanya.

## Hasil Metode Teoritis
Hasil  perhitungan  disajikan  dengan  variasi tekanan  inlet  3  barg,  6  barg,  9  barg,  12  barg,  dan  15 barg. Perbandingan antara tekanan inlet terhadap gaya dorong  dapat  dilihat  pada  Gambar  4.  Dari  Gambar  4 terlihat  bahwa  pada  diameter  exit  12  mm, menghasilkan gaya dorong tertinggi untuk setiap variasi tekanan  inlet.  Sangat  tepat  untuk  tujuan  memperoleh gaya/kekuatan  yang  tinggi.  Sedangkan  untuk  tujuan memperoleh  kecepatan,  maka nozzle dengan  diameter exit 7 mm yang optimal.
Tabel 1. Data hasil perhitungan

## Grafik tekanan inlet terhadap gaya dorong
Gambar    4.  Grafik  tekanan  inlet  terhadap  gaya dorong
Keterangan :
Series1: Gaya dorong pada diameter exit 7 mm Series2: Gaya dorong pada diameter exit 8 mm Series3: Gaya dorong pada diameter exit 10 mm Series4: Gaya dorong pada diameter exit 12 mm Dari  Tabel  1  terlihat  bahwa  semakin  besar diameter exit nozzle (dari 7mm, 8 mm, 10 mm  dan 12  mm),  maka  kecepatan  exit  mengalami penurunan  (yaitu  dari  5,656  m/s;  4,330  m/s; 2,771m/s  dan  1,924  m/s)  dan  sebaliknya  tekanan exit  mengalami  kenaikan  yaitu  (285,413  KPa;
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
293,358  KPa;  300  KPa  dan  302,386  KPa).  Hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 5.

## Grafik variasi diameter terhadap kecepatan pada bagian exit
Gambar    5.  Grafik  variasi  diameter  terhadap kecepatan pada bagian exit.
Gambar  6  memperlihatkan  bahwa  semakin  besar diameter  exit,  maka  tekanan  exit  semakin  besar pula.

## Grafik variasi diameter terhadap tekanan pada bagian exit
Gambar    6.  Grafik  variasi  diameter  terhadap tekanan pada bagian exit
Gambar  7  menunjukkan  bahwa      semakin  besar kecepatan  exit,  maka  tekanannya  semakin  kecil berturut-turut  yaitu  (302,386  KPa;  300  KPa; 293,358 KPa dan 285,413KPa).

## Grafik kecepatan exit terhadap tekanan exit pada Pi = 3 barg
Gambar  7. Grafik kecepatan exit terhadap tekanan exit pada Pi = 3 barg
Gambar  8  menyajikan  bahwa  semakin  besar tekanan  exit,  maka  gaya  dorong  semakin  besar berturut-turut yaitu (7,082N; 9,649N; 15,597N dan 22,728N)

## Grafik tekanan exit terhadap gaya dorong
outlet pada Pi = 3 bar
Gambar    8.  Grafik  tekanan  exit  terhadap  gaya dorong outlet pada Pi = 3 bar

## Hasil Simulasi
Analisis menggunakan metode simulasi menghasilkan harga dan distribusi parameter aliran udara  di  dalam nozzle. .  Tabel  2  memperlihatkan bahwa semakin besar diameter exit-nya, maka gaya dorongnya  semakin  meningkat  baik  secara  teoritis maupun  simulasi.  Gaya  dorong  tertinggi  terjadi pada  diameter  exit  12  mm,  pada  setiap  variasi tekanan  inlet.  Sementara  gaya  dorong  terendah terjadi pada diameter exit 7 mm, pada setiap variasi tekanan  inlet.  Tabel  3  memperlihatkan  hasil perhitungan  secara  teoritis  dapat  dihasilkan perbandingan  antara  besar  tekanan  inlet  dengan tekanan outlet serta perbandingan antara besar gaya dorong  inlet nozzle dengan  gaya  dorong  outlet nozzle .
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
E-ISSN 2581-0979
Tabel 2. Data hasil simulasi
Gambar 9, terlihat bahwa ketika diameter  exit 7mm  dan  8  mm,  tekanan  outlet  lebih  kecil  dari tekanan  inlet;  pada  diameter  exit  10  mm  tekanan outlet  sama  dengan  tekanan  inlet;    dan    pada diameter  exit  12  mm  tekanan  outlet  lebih  besar tekanan  inlet.  Hal  ini  berlaku  untuk  semua  variasi tekanan inlet 6 barg, 9 barg, 12 barg dan 15 barg.

## Grafik tekanan inlet terhadap tekanan outlet Pi = 3 barg
Gambar 9.   Grafik  tekanan  inlet  terhadap  tekanan outlet Pi = 3 barg
Tabel  3.  Data  hasil  perhitungan  tekanan  inlet  dan gaya dorong inlet
Grafik De Terhadap Fe (Pi=3 Bar )
Gambar  10. Grafik De Terhadap Fe (Pi=3 Bar)
Gambar  10  menunjukkan  bahwa  ketika diameter  exit 7  mm  dan 8  mm,  gaya dorong  outlet lebih  kecil  dari  gaya  dorong  inlet;  pada  diameter exit 10 mm gaya dorong  outlet sama dengan  gaya dorong    inlet;    dan    pada    diameter  exit    12    mm gaya  dorong  outlet  lebih  besar gaya dorong inlet. Hal ini berlaku untuk semua variasi tekanan inlet 6 barg, 9 barg, 12 barg dan 15 barg.
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Grafik gaya dorong inlet terhadap gaya dorong outlet, Pi=3 barg
Gambar  11.  Grafik  gaya  dorong  inlet  terhadap gaya dorong outlet, Pi=3 barg
Selisih  antara  hasil  analitis  dan  simulasi  dapat dilihat pada Tabel 4.
Tabel  4  memperlihatkan  bahwa  selisih  terbesar pada  kecepatan  exit  yaitu  pada  diameter  exit  12 mm  dan  tekanan  inlet  12  barg.  Selisih  terbesar yaitu  20,94%,  sehingga  simulasi  dapat  dinyatakan layak untuk  digunakan. Dari hasil perhitungan dan simulasi dapat disimpulkan bahwa untuk memperoleh kecepatan yang optimum maka bentuk nozzle yang  paling  optimum  adalah nozzle dengan diameter  exit  7  mm,  terbukti  bahwa  hasil perhitungan dan simulasi
Tabel 4. Selisih anilitis dan simulasi
hasilnya  terbesar  yaitu  5,656  m/s  (teoritis)  dan 5,667 m/s (simulasi) pada  tekanan  3  barg, begitu pula  terjadi  pada variasi tekanan yang lain seperti (6 barg, 9 barg, 12  barg  dan  15  barg).
Sedangkan  untuk  memperoleh  gaya  dorong yang  optimum,  maka  bentuk nozzle yang  paling optimum  adalah nozzle dengan  diameter  exit  12 mm, terbukti bahwa hasil perhitungan dan simulasi pada  tekanan  inlet  3  barg  hasilnya    terbesar    yaitu
22,728    N  (teoritis)  dan  24,251  N  (simulasi)  serta terjadi  pada  variasi  tekanan  inlet  yang  lain.  Hal tersebut diperlihatkan pada Gambar 11.
AME (Aplikasi Mekanika dan Energi) : Jurnal Ilmiah Teknik Mesin

## Kontur Tekanan
Kontur tekanan diperlihatkan pada Gambar 12 dan 13.
Gambar    12.  Kontur  tekanan  7mm  (a),  8mm  (b), 10mm (c), 12mm (d)

## Kontur Kecepatan
Gambar  13.   Kontur  kecepatan  7mm  (a),  8mm (b),  10mm (c), 12mm (d)

## 4. KESIMPULAN
Dari    hasil  penelitian   dan   bahasan    maka  dapat dismpulkan  bahwa nozzle yang  optimum  berdasarkan besarnya    gaya  dorong    untuk    inputan air  cylinder adalah nozzle convergent-divergent    dengan  diameter outlet 12 mm.

## REFERENSI
Ka’ka,  S. ;  Muhammad,  A.  K.  (2102).  Analisis Desain  Pengisian  Tangki  Udara  Bertekanan Dengan  Sistem  Injeksi  Silinder  Pneumatik.
Teknik Mesin" TEKNOLOGI" , 14 (1).
Khalid,  A ;  Raihan,  H.  (2016).  Rancang  Bangun Simulasi  Sistem  Pneumatik  Untuk  Pemindah Barang. Jurnal INTEKNA , 6 (1), 39–41.
Riani, N. I., Syamsuri, S., & Pratama, R. R. (2017). Simulasi  Numerik  Aliran  Melewati  Nozzle Pada Ejector Converging – Diverging Dengan Variasi  Diameter  Exit  Nozzle. R.E.M.
(Rekayasa  Energi  Manufaktur)  Jurnal , 2 (1), 19–24.
https://doi.org/10.21070/r.e.m.v2i1.796 Sumadi, S., & Alkindi, H. (2016). Analysis Putaran Spesifik  Motor  Penggerak  Perahu  Nelayan Menggunakan Teknologi Pneumatic Berdasarkan Variasi Tekanan. AME (Aplikasi Mekanika Dan Energi): Jurnal Ilmiah Teknik Mesin , 2 (2), 47–50. Sumadi,  S.,  &  Sutisna,  S.  P.  (2019).  Perancangan Sistem Kontrol Mobil Menggunakan Compressed  Air  Engine  Sebagai  Penggerak Mula. Almikanika , 1 (1), 1–4.
Tirtoatmodjo, R. ;  Willyanto,  W.  (2014). Peningkatan  Performance  Motor  Bensin  4
Tak  3  Silinder  yang  Menggunakan  Bahan Bakar  Gas  dengan  Penambahan  Blower  dan Sistem Injeksi. Jurnal Teknik Mesin , 1 (1), 1– 7.
Waluyo, R. (2018). Stress analysis pada horizontal wind  turbin  blade  berbahan  kayu. AME (Aplikasi  Mekanika  Dan  Energi):  Jurnal Ilmiah Teknik Mesin , 4 (2), 65–75.