Sudarma, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 3  (Juli  2021) Hal. 31-37

## Analisis Kinerja Sistem Pendinginan Mesin Dengan Udara Langsung Menggunakan CFD Pada Mobil Konsep Hemat Energi
Andi F. Sudarma a, *, Islahuddin b , Nisfi Firmansyah a
a Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jalan Merusya Selatan No. 1, Kembangan, Jakarta Barat, 11650
b Program Studi Teknik Mesin, Universitas Dharma Andalas
Jalan Sawahan No. 103, Padang, Sumatera Barat, 25000 *E-mail: andi.firdaus@mercubuana.ac.id

## Abstract
The  low  fuel  consumption  concept  vehicle  has been  developed by  Universitas  Mercu  Buana  and  was prepared  to  compete  in  the  national  low  fuel  consumption  vehicle  contest (Kompetisi  Mobil  Hemat Energi). The vehicle has a rear two-wheel-drive driven by a 4-stroke engine with a capacity of 110 cc located at the rear of the car. For an over-heated prevention system, the engine was cooled directly by air  that  flows  from  the  front  side  of  the  vehicle  to  the  engine  room  at  the  back.  In  this  research,  the effect of the engine position inside the compartment and airflow velocity was studied numerically using ANSYS Fluent. Three positions of the engine (at the left side, center, and right side) and three airflow velocities  (40,  60,  and 80  km/h)  were  studied  and  compared.  The  result  shows  that  the  engine at  the center configuration gives the optimum cooling rate.  The fluid motion enhances heat transfer (as  the velocity increased, the cooling rate also increased).
Keywords: heat transfer, direct air-cooling system, computational fluids dynamics, forced convection, low fuel consumption concept vehicle

## Abstrak
Mobil konsep hemat energi dirancang oleh Universitas Mercu Buana untuk diperlombakan pada ajang Kompetisi Mobil Hemat Energi (KMHE) kategori urban vehicle . Secara fisik mobil ini didesain beroda empat  dengan  mesin  yang  tersambung  dengan  poros  roda  belakang.  Agar  konsumsi  bahan  bakarnya rendah, maka mesin yang akan dipakai adalah motor bensin 4 tak berkapasitas 110 cc dan berpendingin udara  langsung  ( direct  air-cooled  system ).  Ruang  mesin  diletakan  di  bagian  belakang  kendaraan dengan sistem ventilasi yang memungkinkan udara mengalir dari bagian depan kendaraan dan dibuang ke  bagian  belakang  kendaraan.  Pada  penelitian  ini,  pengaruh  posisi  mesin  dianalisis  secara  numerik terhadap  laju  pendinginan  agar  desain  sistem  pendinginan  dapat  memberikan  hasil  optimum.  Aliran udara  masuk  ke  dalam  ruang  mesin  menyerap  panas  yang  dipancarkan  oleh  sirip-sirip  badan  silinder mesin dan membawanya keluar dari ruang mesin. Penelitian dilakukan dengan menganalisis pengaruh penempatan  mesin  (di  tengah,  kanan  dan  kiri)  terhadap  sistem  pendinginan  mobil  dengan  kecepatan aliran masuk 40, 60 dan 80 km/jam menggunakan software ANSYS Fluent. Distribusi temperatur dan laju  perpindahan  panas  dari  masing-masing  konfigurasi  kemudian  dibandingkan  untuk  mendapatkan sistem  pendinginan  yang  optimal.  Dari  hasil  simulasi  tersebut  dapat  disimpulkan  bahwa  sistem pendinginan  pada  posisi  mesin  di  tengah  lebih  optimal  dibanding  posisi  lainnya.  Hasil  lainnya  juga menunjukkan  bahwa  dengan  bertambahnya  kecepatan  maka  laju  pendinginan  mesin  semakin meningkat.
Kata kunci: perpindahan panas, sistem pendinginan udara langsung, computational fluid dynamics, konveksi paksa, mobil konsep hemat energi

## 1. Pendahuluan
Sistem  pendinginan  pada  motor  bakar  memegang  peranan  penting  dalam  menjaga  temperatur  mesin  agar  tetap dalam keadaan ideal. Temperatur silinder  mesin dapat  mempengaruhi efisiensi bahan bakar, knocking , temperatur gas buang dan terutama emisi NO x pada mesin kendaraan [1]. Namun untuk menghasilkan kinerja pendinginan yang tinggi, sistem  perlu  dibantu  oleh  komponen  lainnya  seperti  kipas  dan  pompa.  Oleh  karena  itu,  tahapan  perancangan  sistem pendinginan  sebagaimana  yang  akan  dilakukan  pada  penelitian  ini  menjadi  tantangan  tersendiri  untuk  menghasilkan sistem yang mempunyai performa pendinginan yang baik serta juga hemat energi.
Motor  bakar  sebagai  sistem  penggerak  utama  pada  kendaraan  bermotor  tidak  sepenuhnya  bekerja  secara  efisien, sebagian energinya ada yang terbuang dalam bentuk panas sehingga efisiensinya hanya berkisar antara 30%−40% [2]. Peningkatan temperatur di sekitar mesin dapat mengakibatkan kerusakan fatal pada komponen mesin dan juga  memicu peningkatan  temperatur  pelumas  sehingga  terjadi  kerusakan  komponen  mesin  lebih  cepat  daripada  semestinya  [3,4].
Sudarma, dkk./ ROTASI, Vol. 23  No. 3  (Juli  2021) Hal. 31-37
Untuk  menjaga  mesin  tetap  bekerja  dengan  baik,  maka  temperatur  mesin  harus  tetap  dijaga  agar  tidak  terjadi over- heated .  Untuk  menjaga  suhu  kerja  dari  motor  bakar  maka  sistem  pendinginan  mutlak  diperlukan.  Dalam  industri otomotif,  sistem  pendinginan  yang  umum  digunakan  adalah  sistem air-cooled dan water-cooled .  Walaupun  sistem water-cooled yang  paling  umum  digunakan,  sistem air-cooled tetap  banyak  digunakan  terutama  pada  kendaraan kapasitas kecil karena sistemnya yang sederhana, mudah dirawat serta hemat energi dan biaya.
Gambar 1. Mobil konsep hemat energi Turangga Wasisto yang dirancang oleh Universitas Mercu Buana [5]
Mobil  konsep  hemat  energi  yang  tengah  dibangun  oleh  Universitas  Mercu  Buana  dirancang  untuk  diperlombakan pada ajang Kompetisi Mobil Hemat Energi (KMHE) kategori urban vehicle dan diberi nama Turangga Wasisto, seperti yang  terlihat  pada  Gambar  1.  Secara  fisik,  mobil  ini  memiliki  empat  roda  dengan  mesin  penggerak  yang  tersambung dengan poros roda belakang. Mesin yang dipakai adalah motor bensin 4 tak berkapasitas 110 cc dan berpendingin udara langsung  ( direct  air-cooled  system )  diadopsi  dari  mesin  kendaraan  roda  dua  yang  diproduksi  oleh  PT.  Astra  Honda Motor  guna  menjadikannya  kendaraan  hemat  energi.  Ruang  mesin  diletakan  di  bagian  belakang  kendaraan  dengan sistem ventilasi yang memungkinkan udara mengalir dari bagian depan kendaraan.
Pendinginan  mesin  dengan  udara  langsung  telah  dipelajari  sebelumnya  secara  eksperimental  terhadap  mesin kendaraan  roda  dua  oleh  Yoshida  et.  al  [6].  Penelitian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  pengaruh  kecepatan  angin terhadap  pendingian  mesin  dengan  udara.  Hasil  yang  didapat  menyatakan  koefisen  perpindahan  panas  dari  proses pendinginan meningkat seiringan dengan bertambahnya kecepatan aliran udara.
Pada  penelitian  ini,  sistem  pendinginan  mesin  secara  langsung  dimodelkan  dalam  bentuk  perpindahan  panas konveksi paksa. Udara dialirkan ke dalam ruang mesin untuk menyerap panas yang dipancarkan oleh sirip-sirip badan silinder  mesin  dan  membawanya  keluar  dari  ruang  mesin.  Oleh  karena  itu,  pemodelan  ini  dapat  dianalogikan  sebagai alat  penukar  kalor.  Pada  penelitian  sebelumnya,  sistem  penukar  kalor  disimulasikan  secara  numerik  menggunakan software ANSYS  Fluent  untuk  menentukan  alat  penukar  kalor  yang  paling  baik  dalam  pemanfaatan  gas  buang boiler [7]. Penelitian juga dilakukan secara eksperimental pada proses pendinginan langsung menggunakan udara pada mesin pesawat  kecil  [8].  Dari  penelitian  ini  disimpulkan  bahwa  bentuk fin (sirip)  dan  kecepatan  udara  memegang  peranan penting dalam proses pendinginan mesin.
Penelitian  dilakukan  dengan  menganalisis  pengaruh  penempatan  mesin  terhadap  sistem  pendinginan  pada  mobil hybrid KMHE  pada  saat  kendaraan  dijalankan  pada  kecepatan  40,  60  dan  80  km/jam  dengan  metode  komputasi  dan simulasi  menggunakan software ANSYS  Fluent.  Koefisien  perpindahan  panas  dari  setiap  konfigurasi  kemudian dibandingkan untuk mendapatkan sistem pendinginan yang optimal.

## 2. Metode penelitian
Penelitian  ini  dilakukan  secara  numerik  menggunakan software CFD  berdasarkan  geometri  dari ruang  mesin  pada mobil  konsep  KMHE  yang  telah  disederhanakan.  Geometri  dari  ruang  mesin  tersebut  secara  skematis  digambarkan sesuai dimensi pada Gambar 2.

## Tabel 1. Boundary condition
Kondisi Satuan Nilai Kecepatan inlet (U) km/jam 40, 60 dan 80 Heat flux W/m 2 2800 Temperatur inlet K 300 Tekanan atm 1
(a)                                                                              (b)
(c)
Gambar 3. Pathline aliran udara dan temperature contour dari konfigurasi posisi mesin di sisi kiri pada kecepatan (a) 40 km/jam, (b) 60 km/jam, dan (c) 80 km/jam
Gambar 2. Gambar skematis ruang mesin pada posisi tengah (gambar kiri) dan geometri (gambar kanan)
Pada penelitian ini, simulasi numerik dilakukan terhadap  tiga geometri  yang dibedakan dari posisi mesin di dalam kompartemen  guna  mengetahui  pengaruh  posisi  terhadap  kinerja  pendinginan.  Pada  geometri  pertama,  mesin diposisikan di sebelah kanan pengemudi. Sedangkan pada geometri selanjutnya (geometri 2 dan 3), mesin diposisikan di tengah dan sisi kiri pengemudi. Selanjutnya, tiga variasi kecepatan aliran pada inlet (yaitu 40 km/jam, 60 km/jam dan 80 km/jam) juga diterapkan untuk mengetahui pengaruh kecepatan mobil terhadap laju pendinginan mesin.
(a)                                                                          (b)

## (c)
Gambar 4. Pathline aliran udara dan temperature contour dari konfigurasi posisi mesin di tengah pada kecepatan (a) 40 km/jam, (b) 60 km/jam, dan (c) 80 km/jam
Tahapan  selanjutnya  adalah  pembuatan mesh menggunakan  ANSYS  Meshing  yang  dibangun  dari  rangkaian unstructured  tetrahedron .  Jumlah elemen  pada  geometri  1,  2  dan  3  masing-masing  adalah  1025143,  1007817,  dan 1010712  elemen.  Sedangkan  kualitas  dari mesh berdasarkan  nilai orthogonality dan skewness masing-masing  adalah 0,25 dan 0.79. Kemudian, tiap-tiap mesh dijalankan secara numerik dalam kondisi steady-state menggunakan ANSYS Fluent  dengan  metode  kalkulasi turbulent k-epsilon .  Detail  dari  model  matematik  dari  metode  ini  dapat  dilihat  pada buku manual dari ANSYS Fluent serta artikel referensi berikut [9,10]. Kondisi batas ( boundary condition ) dari simulasi ini diterapkan berdasarkan nilai masukan yang tertera pada Tabel 1.
Laju pendinginan dari sistem atau dalam kata lain laju transmisi energi panas dari permukaan mesin ke aliran udara di  sekeliling  permukaan  luar  mesin  dapat  diperkirakan  besarnya  dengan  menggunakan  persamaan  perpindahan  panas konveksi berikut:
Q = h u A b (T w – T u ) (1)
Dengan A b adalah luas permukaan luar  mesin yang berkontak dengan aliran udara di sekelilingnya, dan T w adalah besarnya  temperatur  permukaan  luar  mesin  yang  lebih  tinggi  daripada  temperatur  udara  di  sekelilingnya  yang bertemperatur T u . Sedangkan h u adalah koefisien perpindahan panas konveksi yang dapat diketahui dari perbandingan terbalik antara heat flux dengan beda temperatur.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada  penelitian  ini,  sebuah  motor  bakar  bensin  diletakkan  di  dalam  kompartemen  sebagai  sumber  penggerak kendaraan.  Motor  bakar  beroperasi  menghasilkan  panas  dan  didinginkan  oleh  aliran  udara  yang  dialirkan  ke  dalam ruang mesin dari saluran yang berada di depan kendaraan  kemudian udara panas dibuang ke saluran bagian belakang. Tiga  konfigurasi  posisi  mesin  yang  berbeda,  yaitu  di  kanan,  kiri,  dan  kanan,  dibandingkan  dengan  analisis  numerik untuk mengetahui laju pendinginan yang paling optimal. Selanjutnya, tiga kecepatan aliran masukan yang berbeda  (40
(a)                                                                 (b)

## (c)
Gambar 5. Pathline aliran udara dan temperature contour dari konfigurasi posisi mesin di sisi kanan pada kecepatan (a) 40 km/jam, (b) 60 km/jam, dan (c) 80 km/jam
km/jam,  60  km/jam  dan  80  km/jam)  juga  dibandingkan  untuk  mengetahui  pengaruh  kecepatan  aliran  terhadap  proses pendinginan  mesin.  Berikut  ini  adalah  hasil  penelitian  untuk  pengujian  simulasi  aliran  fluida  dan  perpindahan  panas dengan menggunakan software ANSYS Fluent. Gambar  3,  4  dan  5  menunjukkan  garis  jalur  ( pathline )  aliran  dan  kontur  temperatur  permukaan  mesin  pada  3 konfigurasi  posisi  dan  kecepatan  aliran  masukan  yang  berbeda.  Pada  Gambar  3  dapat  dilihat  jalur  aliran  dari  saluran masuk  yang  membentuk  pusaran  aliran  pada  bagian  kosong  dari  kompartemen  mesin  dan  hanya  sedikit  aliran  udara yang menjangkau area sempit di sebelah kiri antara permukaan mesin dan dinding kompartemen. Hal ini menyebabkan aliran  udara  tidak  banyak  menjangkau  area  paling  kiri  dari  ruang  mesin  sehingga  temperatur  tinggi  muncul  di  area tersebut. Hal yang sama juga terjadi pada konfigurasi mesin di sebelah kanan, area  sempit berdekatan dengan dinding kompartemen  di  sebelah  kanan  adalah  area  yang  paling  tinggi  temperaturnya  sebagaimana  yang  ditunjukkan  pada Gambar 5. Pada Gambar 4 terlihat  aliran udara yang masuk secara seimbang mengalir pada permukaan mesin baik di area  kiri  dan  kanan.  Pada  area  ini,  udara  bertemperatur  rendah  yang  baru  masuk  langsung  bersentuhan  dengan permukaan  mesin  sehingga  proses  konveksi  terjadi  secara  lebih  efektif.  Namun,  area  permukaan  mesin  bagian  atas menjadi daerah yang paling tinggi temperaturnya. Hal ini terjadi karena aliran yang masuk terlebih dahulu bersentuhan dengan  permukaan  sisi  samping,  setelah  itu  aliran  dibelokkan  oleh  dinding  belakang  dan  kemudian  menyentuh permukaan atas dari mesin. Aliran yang dibelokkan ini telah meningkat temperaturnya sebelum menyentuh permukaan atas mesin yang mengakibatkan beda temperatur menurun sehingga laju pendinginan berkurang sebagaimana yang telah diterangkan pada persamaan (1).
Grafik  perbandingan  laju  pendinginan,  temperatur  rata-rata  dan  temperatur  maksimum  terhadap  posisi  mesin  di dalam  kompartemen  sebagaimana  yang  ditunjukkan  Gambar  6  memperjelas  hasil  yang  ditunjukkan  pada  paragraf sebelumnya. Pada gambar ini terlihat perbandingan temperatur maksimum dan temperatur rata-rata dari masing-masing konfigurasi mesin yang diposisikan di sebelah kiri, tengah dan kanan. Peningkatan kecepatan kendaraan yang berimbas
Gambar 6. Perbandingan laju pendinginan, temperatur rata-rata dan temperatur maksimum terhadap posisi mesin di dalam kompartemen.
pada bertambahnya kecepatan aliran yang memasuki ruang mesin secara signifikan menurunkan temperatur (maksimum dan rata-rata) pada kisaran 10%. Gambar ini memperlihatkan bahwa posisi mesin di tengah adalah pilihan yang terbaik berdasarkan hasil dari simulasi yang dilakukan pada penelitian ini. Sedangkan temperatur rata-rata dan maksimum yang dihasilkan dari simulasi aliran pada konfigurasi mesin di posisi samping kiri dan kanan menunjukkan nilai yang  hampir sama.  Pergerakan  fluida  memicu  peningkatan  laju  perpindahan  panas  (semakin  tinggi  kecepatan  aliran  maka  semakin tinggi pula laju perpindahan panasnya) [11−13].
Pengaruh  dari  laju  aliran  terhadap  koefisien  perpindahan  panas  dari  permukaan  bertemperatur  tinggi  ditampilkan pada  artikel  berikut  ini  [6,14−16].  Dari  artikel  tersebut  dapat  disimpulkan  bahwa  koefisien  perpindahan  panas berbanding  lurus  dengan  kecepatan  aliran  udara  pada  proses  konveksi.  Pada  Gambar  4  terlihat  terjadinya  sedikit peningkatan  laju  pendinginan  dengan  berubahnya  kecepatan  aliran  dari  40  km/jam  menjadi  60  km/jam.  Namun  pada kecepatan  aliran  80  km/jam  terjadi  penurunan  laju  pendinginan  yang  cukup  signifikan.  Saat  ini  penulis  belum  dapat menerangkan apa yang menjadi penyebab penurunan laju pendinginan pada kecepatan 80 km/jam.

## 4. Kesimpulan
Penelitian  tentang  pengaruh  posisi  mesin  di  dalam  kompartemen/ruang  mesin  ditampilkan  pada  artikel  ini.  Tiga kecepatan  aliran  yang  berbeda  diaplikasikan  untuk  mengetahu  pengaruhnya  terhadap  laju  pendinginan.  Berdasarkan hasil  penelitian  ini  didapat  kesimpulan  bahwa  konfigurasi  posisi  mesin  di  tengah  memberikan  hasil  laju  pendinginan yang  lebih  baik  daripada  konfigurasi  lainnya.  Konfigurasi  mesin  pada  sisi  kiri  dan  kanan  kendaraan  menghasilkan konsentrasi temperatur pada area sempit antara mesin dan dinding kompartemen yang sulit dijangkau oleh aliran udara sehingga proses pendinginan kurang efisien. Peningkatan kecepatan aliran masuk juga meningkatkan laju pendinginan pada  mesin,  walaupun  pada  kecepatan  80  km/jam  terjadi  penurunan  laju  pendinginan  yang  belum  diketahui penyebabnya.

## Ucapan Terima Kasih
Ucapan  terima  kasih  penulis  sampaikan  kepada  Pusat  Penelitian  Universitas  Mercu  Buana  atas  dukungan  yang telah  diberikan.  Ucapan  yang  sama  juga  disampaikan  kepada  Tim  Geni  Biru  UMB  dan  Program  Studi  Teknik  Mesin Universitas Mercu Buana dalam kontribusinya untuk penelitian ini.

## Daftar Pustaka
[1] Wimmer,  A.,  and  Schnessl,  E.,  2006,  “ Effects  of  humidity and ambient  temperature  on engine  performance  of lean  burn  natural  gas  engines ,”  in  Internal  Combustion  Engine  Division  Fall  Technical  Conference,  42606: 421–429.
[2] Sera,  M.A.,  2015,  “ Optimasi  Daya  Mesin  dan  Konsumsi  Bahan  Bakar  Mesin  Toyota  Seri  5k  melalui Penggunaan Pengapian Booster, ” Sinergi, 19(3): 195–200.
[3] Yigit, K.S., 2005, “ Experimental investigation of a comfort heating system for a passenger vehicle with an air- cooled engine, ” Applied Thermal Engineering, 25(17–18): 2790–2799.
[4] Viertel, J., and Wulandana, R., 2021, “ Two Dimensional CFD Analysis and Flow Optimization of Transmission Cooling  Scoop  for  Longitudinal  Powertrain  Applications, ”  International  Journal  of  Advance  Technology  in Mechanical, Mechatronics, and Materials, 2(1): 13−21.
[5] Nugroho,  A.H.,  2018,  “ 12  Mahasiswa  Luncurkan  2  Mobil  Hekoillk,,mat  Energi,  Bisa  Melesat  60  Km/Jam, ” www.okezone.com.
[6] Yoshida, M., Ishihara, S., Murakami, Y., Nakashima, K., and Yamamoto, M., 2006, “ Air-cooling effects of fins on a motorcycle engine, ” JSME International Journal Series B Fluids Thermal Engineering, 49(3): 869–875.
[7] Gaol,  A.P.G.L.  Mahyunis,    Siregar.  A.R.,  2015,  “ Simulasi  Model  Alat  Penukar  Kalor  Menggunakan  Software Enginering  Untuk  Pemanfaatan  Gas  Buang  Boiler  Sebagai  Sumber  Kalor  Pada  Proses  Pengeringan  Kernel, ” Jurnal Penelitian STIPAP, 6(1): 61–75.
[8] Pinkel, B., 1937, “ The Heat-Transfer Processes in Air-Cooled Engines, ” Journal of Aeronautical Science, 4(10): 403–410.
[9] ANSYS Inc., 2011, " ANSYS FLUENT Theory Guide Release 14.0, " 15317.
[10] Sudarma,  A.F.,  and  Morsy,  M.H.,  2017,  “ RANS  numerical  simulation  of  lean  premixed  bluff  body  stabilized combustor: Comparison of turbulence models, ” Journal Thermal Engineering, 3(6): 1561–1573.
[11] Guo,  Z.Y.,  Li,  D.Y.,  and  Wang,  B.X.,  1998,  “ A  novel  concept  for  convective  heat  transfer enhancement, ”International Journal Heat Mass Transfer, 41(14): 2221–2225.
[12] Cengel, Y.A., and Ghajar, A.J., “Fundamentals of Convection. ”
[13] Agarwal, P., Shrikhande, M., Srinivasan, P., 2011, “ Heat transfer simulation by CFD from fins of an air cooled motorcycle engine under varying climatic conditions, ” in Proceedings of the World Congress on Engineering, 3: 6–8.
[14] Thornhill,  D.,  Graham,  A.,  Cunnigham,  G.,  Troxler,  P.  and  Meyer,  R.,  2003,  “ Experimental  investigation  into the free air-cooling of air-cooled cylinders, ” SAE Transaction, 2046–2057.
[15] Gibson, A.H., 1919, “ The air cooling of petrol engines, ” Proc. Inst. Automob. Eng.,14(1): 243–302.
[16] Biermann, A., Pinkel, B., 1935, “ Heat Transfer from finned metal cylinders in an air stream. "