## PRESTASI MOTOR DIESEL DENGAN OPTIMALISASI SISTEM INTAKE MANIFOLD PAK SYS (PERFORMANCE AIR INTAKE SYSTEM) TURBO FAN AXIAL
Ahmad Robiul Awal Udin 1 , Adityo 1
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Politeknik Negeri Jember, Jl. Mastrip PO.BOX 164, Jember, 68121
Email: ahmadrobiulawal@gmail.com

## ABSTRAK
Perkembangan teknologi kendaraan bermotor mendasari urgensi pada peningkatan efisiensi mesin terhadap  kebutuhan  bahan  bakar  yang  akan  digunakan  pada  proses  pembakaran  untuk menghasilkan  parameter  output.  Salah  satu  unsur  agar  proses  pembakaran  efektif  terhadap komposisi campuran bahan bakar yaitu kuantitas dan kapasitas udara yang akan dipasok kedalam tiap  silinder.  Kebutuhan  udara  pada  saat  langkah  hisap  juga  dipengaruhi  desain  sistem  intake manifold  yang  merupakan  minor  losses  aliran.  Penambahan  Fan  Axial  didalam  sistem  intake manifold motor diesel diharapkan dapat memenuhi kapasitas pasokan udara serta meminimalisasi minor losses,  sehingga prestasi mesin yaitu efisiensi volumetrik, torsi dan daya mesin mengalami peningkatan. Metode Performance Air Intake System ini memaksa udara masuk melalui sudu – sudu Fan  Axial  Double  Blade.  Penelitian  ini  menggunakan  metode  eksperimental  semu  yaitu membandingkan intake manifold dengan maupun tanpa pemasangan fan axial (standar) terhadap torsi dan daya yang dihasilkan dari motor diesel empat (4) langkah.  Dari pengujian didapatkan peningkatan torsi rata – rata sebesar 22 %, dengan nilai torsi tertinggi pada awal putaran mesin 1150 rpm sebesar 41,8 Nm, sedangkan peningkatan daya rata  – rata sebesar 13  %  dengan nilai daya  mencapai  8  KW  pada  putaran  mesin  2200  rpm.  Sedangkan  efisiensi  volumetrik  mengalami peningkatan  rata  –  rata  6  %  dengan  prosentase  signifikan  pada  putaran  mesin  2200  rpm  yang mencapai 98,8 %.
Kata Kunci : Torsi, Daya, Diesel, Intake Manifold , Fan Axial

## PENDAHULUAN
Pada  langkah  hisap  motor  diesel  fluida kerjanya udara yang akan dikompresikan didalam ruang bakar. Sehingga properti, keadaan, kualitas dan  kuantitas  udara  menjadi  sangat  penting  yang harus  diberikan  untuk  bereaksi  dengan  tiap  satu satuan  berat  bahan  bakar  yang  disemprotkan (solar)  untuk  menghasilkan  entalpi  pembakaran. Permasalahan  pemenuhan  kebutuhan  udara  pada multi silinder motor diesel dapat ditempuh dengan berbagai metode, salah satunya memaksa sejumlah aliran udara yang akan masuk ke ruang bakar atau Force Air Induction System . Pemanfaatan metode sistem  ini  sangat  dipengaruhi  bentuk  dan  ukuran dari  saluran  masuk  atau intake  manifold . Intake manifold didesain  agar  udara  mengalir  ke  tiap silinder  dengan  kuantitas  yang  sama.  Namun karena  di intake  header terdapat  bentuk  dan kompartemen saluran yang disesuaikan arah aliran udara  menuju  tiap  ruang  bakar  serta  adanya perubahan bentuk dan halangan dari katup intake yang  dapat  menimbulkan  kerugian  ringan  atau minor losses . Dengan  adanya minor  losses ini  efisiensi volumetrik akan tereduksi yang akan menghambat
pasokan  udara  bercampur  dengan  bahan  bakar, dengan  demikian  perbandingan  udara  dan  bahan bakar tidak tercapai sehingga akan mempengaruhi kualitas  pembakaran  menurun  yang  berdampak transformasi daya berkurang.
Shirao  dkk  [9],  menganalisa intake manifold dengan  bagian  dalam  yang  berulir berjarak  2  mm,  udara  yang  masuk  di intake manifold akan  dipaksa  secara  memutar  ( inducing swirl ) kedalam ruang bakar. Dengan pemasangan tipe ulir Buttres memiliki efisiensi termal 14,5 % lebih  tinggi  dari intake  manifold normal  atau standar. Kemudian Raj Kumar dkk [7], menganalisa  kemampuan intake ini  dengan menerapkan pola aliran pasif melalui sudu – sudu tetap vane  nozzles yang  di  uji intake  manifold motor  diesel  satu  silinder.  Dari  pengujian  secara keseluruhan terdapat kenaikan daya poros sebesar 4,19% dengan penggunaan vane nozzles dari pada intake standar.

## METODOLOGI PENELITIAN Fan Aksial
Fan  aksial  menggerakan  aliran  udara sepanjang  atau  segaris  dengan  sumbu  fan.  Cara
  s m n x x d x d V u 60 2    
kerja fan seperti impeler pesawat terbang: blades fan menghasilkan pengangkatan aerodinamis yang menekan udara.
Gambar 1. Aliran Udara Melintas Fan Aksial
Sehingga  kapasitas  udara  atau  laju  volume udara dapat ditentukan :
(1)
Dengan kecepatan rata – rata fluida yang mengalir sebesar :

## (2)
Gambar  2  merupakan  objek  dalam penelitian  yang  menggunakan  Fan  aksial  dengan cover berdiameter dalam 64 mm dan panjang 75, serta jumlah sudu – sudunya 10 buah berdiameter 63  mm.  Sudu  –  sudu  terbuat  dari  besi  cor  dan casing cover terbuat dari pipa besi.
Gambar 2. Desain Fan Aksial

## Set-Up Peralatan Uji
Pelaksanaan penelitian menggunakan pengamatan  eksperimental  semu  pada  kondisi temperatur pengujian disesuaikan dengan temperatur  ruangan  /  lingkungan. Engine  stand motor  diesel seperti  pada  gambar  3  Mesin  uji tersebut memiliki pencatatan data secara terkomputerisasi  yang  dilengkapi  alat  ukur pembebanan yaitu dinamometer. Pastikan mengoperasikan mesin uji sesuai dengan prosedurnya.
Setelah  dilakukan warm  up  test pada mesin  uji  yaitu  armfield  CM  12  diesel  engine, tahapan selanjutnya menguji torsi dan daya mesin diesel  dengan intake  manifold tanpa  turbo  fan aksial  atau  standar  dan  setelahnya  dilakukan pengujian  torsi  dan  daya  mesin  diesel  dengan pemasangan turbo pada intake manifold atau PAK SYS*.
*PAK  SYS  :  Performance  Air  Intake  Manifold System
Gambar 3. Mesin Diesel Uji CM 12
Keterangan :
1. Control unit           5. Eddy Current dynamometer.
2. Komputer. 6. Tangki Bahan Bakar.
3. Intake Manifold. 7. Rangka.
4. Filter Udara.
Berikut  spesifikasi  mesin  uji  armfield  CM  12 diesel: Kapasitas 1896 cm 3 Silinder 4 buah, 4 langkah Rasio kompresi 19,5 : 1 Diameter x langkah 79,5 mm x 95,5 mm Sistem kontrol bahan bakar Bosch  EDC  pump distributor Dinamometer Eddy Current Brake Pemasangan  fan  aksial  diletakkan  pada intake manifold mesin uji seperti pada gambar 4 dibawah ini.

## Gambar 4. Pemasangan Turbo Fan Aksial

## Langkah Pengujian Uji Prestasi Mesin
Pengoperasian  mesin  harus  sesuai  SOP, yaitu  memastikan  pendingin  air  mengalir  dari reservoir  ke  mesin  dengan  debit  15  lt/menit, selanjutnya dipoerasikan dengan program software CM  12  pada  mode Automatic dengan  bukaan throttle 14  %  dan  putaran  mesin  stabil  3100 rpm dan  kemudian  dilakukan  pengambilan  data  baik kondisi intake  manifold standar  maupun  dengan menggunakan fan  aksial .  Pengambilan  data  ini dilakukan dengan cara Auto Brake oleh komputer dengan  bukaan throttle konstan  14  %  mulai putaran  mesin  3100  rpm  sampai  putaran  mesin
) / ( s kg A x x m V u u   • 3 4 5 1 6 7
turun 1150 rpm dengan interval perubahan putaran mesin 150 rpm.

## HASIL DAN PEMBAHASAN Torsi
Torsi  adalah  gaya  putar.  Ketika  torak bergerak  ke  bawah  pada  langkah  usaha,  akan menerapkan  torsi  pada  poros  engkol  mesin (melalui  batang  torak).  Gambar  5  menunjukkan bahwa karakteristik variasi torsi terhadap putaran mesin  pada intake  manifold keadaan  standar maupun  menggunakan PAK  SYS memiliki kecenderungan grafik hiperbolik terbuka kebawah. Pada  putaran  mesin  1150  sampai  2200  rpm  torsi akan  mengalami  kenaikan  dan  selanjutnya  akan terdegradasi seiring dengan meningkatnya putaran mesin.  Kecenderungan  ini  dipengaruhi  berbagai faktor yang paling dominan adalah faktor gesekan mekanis dan kemampuan atau kapasitas mesin.
Gambar 5. Hubungan torsi terhadap variasi putaran mesin Torsi yang dihasilkan dengan
menggunakan PAK SYS akan mengalami peningkatan rata – rata sebesar 22 % dibandingkan dengan  torsi  keadaan  mesin  standar.  Prosentase peningkatan  tertinggi  torsi  pada  putaran  mesin 2950 rpm sebesar 89 %. Pada kondisi standar nilai torsi  tertinggi  putaran  mesin  1900  rpm  sebesar 37,8 Nm dan untuk PAK SYS nilai torsi tertinggi pada  awal  putaran  mesin  1150  rpm  sebesar  41,8 Nm.

## Daya
Daya  poros  dibangkitkan  oleh  daya indikator,  yang  merupakan  daya  gas  pembakaran yang menggerakan torak selanjutnya menggerakan semua  mekanisme,  sebagian  daya  indikator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik.
Gambar  6  menunjukkan  daya  yang dihasilkan  keadaan  tanpa  (standar)  maupun dengan fan axial pada intake manifold mesin diesel CM12 mengalami kenaikan sampai putaran mesin mencapai  2200  rpm,  selanjutnya  mengalami penurunan  daya  seiring  dengan  bertambahnya kenaikan  putaran  mesin.  Secara  keseluruhan penggunaan  sistem intake  manifold dengan
pemasangan fan axial mampu meningkatkan daya rata – rata sebesar 13 % dibandingkan dengan daya keadaan mesin standar.
Gambar 6. Hubungan daya terhadap variasi putaran mesin
Prosentase peningkatan tertinggi daya pada putaran  mesin  2350  rpm  sebesar  51  %,  pada kondisi  standar  nilai  daya  tertinggi  pada  putaran mesin 2050 rpm sebesar 6,7 kW serta dengan PAK SYS nilai daya tertinggi pada putaran mesin 2200 rpm sebesar 8 kW.

## Efisiensi Volumetrik
Jumlah  volume  campuran  bahan  bakar yang  masuk  ke  dalam  silinder  pada  saat  langkah hisap secara teoritis sama dengan volume langkah piston dan TMA ke TMB. Volume ini selanjutnya akan  menghasilkan  tenaga  apabila  campuran  gas tersebut  dibakar,  tetapi  kenyataannya  terdapat beberapa  penyimpangan  yang  menyebabkan volume  campuran  gas  yang  masuk  ke  dalam silinder lebih kecil dari volume langkah piston.
Gambar  7  merupakan  grafik  efisiensi volumetrik dengan putaran mesin. Penggunaan fan aksial pada intake  manifold memberikan  dampak peningkatan  efisiensi  volumetrik  rata  –  rata sebesar  6  %  secara  keseluruhan.  Peningkatan efisiensi volumetrik paling signifikan pada putaran mesin  2200  rpm  dengan  efisiensi  volumetrik mencapai 98,8 %.
Gambar 7. Hubungan efisiensi volumetrik terhadap variasi putaran mesin
Pada  kondisi  standar  efisiensi  volumetrik 89,4 % pada rpm 2050 rpm sedangkan pengujian dengan PAK SYS menghasilkan efisiensi
volumetriknya  mencapai  98,8  %  pada  putaran mesin 2200 rpm.
Hubungan torsi dan daya terhadap efisiensi volumetrik  berbanding  lurus  sehingga  jika efisiensi  meningkat  maka  torsi  dan  daya  juga mengalami kenaikan (persamaan 3 dan 4).
Persamaan daya ( P ) :
(3)
Persamaan torsi ( T ) :
(4)
dimana : η f : efisiensi bahan bakar η v : efisiensi volumetrik n : putaran mesin V d : Volume silinder ρ u,i : massa jenis udara Q HV : nilai kalor bahan bakar

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian Intake Manifold yang menggunakan  turbo  fan  aksial  pada intake manifold  motor  diesel ,  dapat  ditarik  kesimpulan sebagai berikut :
1. Peningkatan  torsi  rata  –  rata  sebesar  22  %, dengan nilai torsi tertinggi pada awal putaran mesin 1150 rpm sebesar 41,8 Nm, sedangkan peningkatan  daya  rata  –  rata  sebesar  13  % dibandingkan  dengan  daya  keadaan  mesin standar  dengan  nilai  daya  mencapai  8  KW pada putaran mesin 2200 rpm;
2. Secara  keseluruhan  efisiensi  volumetrik motor  diesel  mengalami  peningkatan  rata  – rata  6  %,  peningkatan  efisiensi  volumetrik paling  signifikan  pada  putaran  mesin  2200 rpm  dengan  efisiensi  volumetrik  mencapai 98,8 %;
3. Dari hasil pengolahan data didapatkan bahwa grafik torsi, daya dan efisiensi memiliki pola atau trend yang sama yaitu hiperbolik terbuka kebawah  artinya,  pada  awal  putaran  mesin akan  mengalami  kenaikan  hingga  mencapai nilai tertinggi kemudian mengalami penurunan  seiring  meningkatnya  putaran mesin.  Hal  ini  dikarenakan  faktor  gesekan mekanis,  kemampuan  atau  kapasitas  mesin uji CM 12, desain konstruksi intake manifold yang  sudah  tidak  mampu  memenuhi perubahan secara relatif untuk menghasilkan energi atau kerja dari motor diesel.

## SARAN
Untuk penyempurnaan dan pengembangan penelitian  selanjutnya  ,  perlu  dilakukan  beberapa hal antara lain :
1. Penelitian pengaruh turbo fan aksial terhadap konsumsi  bahan  bakar,  emisi  berupa
kepekatan  asap  gas  buang  serta  efisiensi pembakaran motor diesel.
2. Diperlukan pengukuran pada kecepatan putar sudu  turbo  fan  aksial  dengan  menggunakan datalogger ataupun dengan sensor photodiode yang  dihubungkan  ke  PC  untuk pengambilan data secara real time .

## UCAPAN TERIMA KASIH
Dengan  selesainya  penelitian  ini,  kami sampaikan  terima  kasih  kepada  Direktorat  Riset dan  Pengabdian  kepada  Masyarakat,  Direktorat Jenderal  Riset  dan  Pengembangan,  Kementerian, Riset,  Teknologi  dan  Pendidikan  Tinggi  dengan Program Penelitian Dosen Pemula tahun anggaran 2017.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Arismundandar,  Wiranto.  2005.  Penggerak Mula  Motor  Bakar  Torak  edisi  kelima. Penerbit ITB. Bandung
[2] Astu,  Pudjanarsa  &  Nursuhud,  Djati.  2008. Mesin  Konversi  Energi.  Penerbit  Andi Yogyakarta.
[3] Atkins,  Richard  D.  2009. An  Introduction  to EngineTesting and Development . SAE International. Warrendale USA
[4] Bennett, Sean. 2012. Modern Diesel Technology  :  Light  Duty  Diesels .  Delmar  : Cangage Learning. Clifton Park – New York USA.
[5] Grundmann,  Reinhard. Elementary  Fan
Technology . www.tlt-turbo.com/dateien/346- Elementary_Fan_Technology.pdf.  diunggah 25 April 2016
[6] Heywood,  J.  2010. Internal  Combustion Engine Fundamentals , MCGraw Hill.
[7] Kumar, A Raj. 2015. Performance Evaluation of  a  Diesel  Engine  In  The  Presence  Of  a Convergent Nozzle with Internal Blades in the Air  Intake  Manifold .  International  Journal  of Innovative  Research  in  Science,  Engineering and Technology. Vol. 4, Issue 7, July 2015
[8] Nguyen-Schäfer,  Hung.2012. Rotordynamics of Automotive Turbochargers Second Edition . Springer International Publishing Switzerland
[9] Shirao,  Pankaj  N.  2014. Performance Analysis  Of  Single  Cylinder  (Di)  Diesel Engine by Air Swirl Induction With Internally
Threaded  Inlet  Manifolds .  International
International Journal Of Mechanical
Engineering and Technology  (IJMET). ISSN 0976 – 6359 (Online). Volume 5, Issue 7, July (2014),pp. 144-150
  2 , A F Q nV P i u HV d v f           4 , A F Q V T i u HV d v f 