Improvisasi Split Injection Pada Mesin Berbahan Bakar Ganda Sebagai Upaya Untuk Meningkatkan Kinerja dan Mengurangi Emisi

Felayati, Frengki Mohamad (2021) Improvisasi Split Injection Pada Mesin Berbahan Bakar Ganda Sebagai Upaya Untuk Meningkatkan Kinerja dan Mengurangi Emisi. Doctoral thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 04111860010004-Disertation.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2023. Download (9MB) | Request a copy

Abstract

Pengaturan injeksi bahan bakar pada mesin diesel/compressed natural gas (CNG) dual-fuel berpengaruh terhadap proses pembakaran, salah satunya dengan menggunakan strategi split injection. Strategi split injection dapat diaplikasikan pada bahan bakar yang digunakan untuk proses pembakaran. Selain itu, strategi injeksi bahan bakar CNG dapat dimungkinkan menyebabkan variasi stratifikasi campuran bahan bakar CNG dan udara sehingga memengaruhi kinerja dan emisi pembakaran mesin. Penelitian ini bertujuan untuk membuat rangkaian split injection CNG, menganalisis dampak strategi split injection CNG terhadap kinerja, proses pembakaran, dan emisi mesin diesel/CNG dual-fuel. Selain itu, penelitian ini mengidentifikasi dampak strategi split injection CNG terhadap variasi stratifikasi campuran bahan bakar CNG dan udara.
Penelitian ini menggunakan metode eksperimen dan simulasi. Metode eksperimen menggunakan mesin standar Yanmar TF MH DI dengan tambahan injeksi bahan bakar CNG di intake port. Eksperimen dilakukan untuk menganalisis kinerja dan emisi pembakaran. Di sisi lain, metode simulasi dilakukan menggunakan analisis pemodelan sistem dan computational fluid dynamic (CFD). Analisis simulasi digunakan untuk menganalisis proses pembakaran dan proses percampuran bahan bakar CNG dan udara. Simulasi pemodelan sistem digunakan untuk analisis proses pembakaran, sedangkan simulasi CFD digunakan untuk analisis proses percampuran bahan bakar CNG dan udara dengan simulasi cold flow. Simulasi CFD dilakukan pada beberapa bagian mesin yaitu intake port, silinder, dan exhaust port. Beban maksimum mesin yaitu sebesar 4 kW, eksperimen dan simulasi dilakukan pada beban rendah sebesar 1 kW yang merupakan 25% beban maksimum dan beban tinggi sebesar 4 kW yang merupakan 100% beban maksimum dengan kecepatan tetap sebesar 2000 rpm. Injection timing bahan bakar diesel yaitu tetap pada 18oCA BTDC. Selain itu, variasi injection timing untuk single injection CNG dilakukan untuk mendapatkan hasil kinerja dan emisi optimum. Variasi injection timing untuk single injection dilakukan pada saat intake valve open (IVO) dan intake valve close (IVC). Setelah itu, hasil optimumnya dibandingkan dengan variasi split injection yaitu jeda dan injection split ratio (ISR) untuk mendapatkan hasil optimum dari strategi split injection.
Rangkaian sistem split injection bahan bakar CNG dibuat dengan sistem utama yaitu dua injektor, dua solenoid valve, dan dua electronic control unit (ECU). Hasil pengaturan rasio substitusi bahan bakar baseline yaitu sebesar 46% pada injection timing 560oCA dengan durasi injeksi sebesar 8 ms pada beban rendah sebesar 1 kW dan 12 ms pada beban tinggi sebesar 4 kW. Sistem split injection CNG menyebabkan adanya variasi terhadap distribusi massa bahan bakar CNG di ruang bakar.
Pada beban tinggi sebesar 4 kW, split injection CNG menyebabkan sedikit memperburuk efisiensi termal dan specific fuel consumption (SFC) hingga 14% dibandingkan dengan baseline. Selain itu, split injection CNG memberikan dampak yang lebih baik pada saat IVC dengan hasil optimum pada ISR rendah yaitu 25/75 dan jeda injeksi yang rendah yaitu 30oCA. Pada beban rendah sebesar 1 kW, split injection CNG memperbaiki efisiensi termal pembakaran dan SFC hingga 18% dibandingkan dengan baseline. Hasil kinerja dan proses pembakaran yang optimum yaitu pada ISR rendah yaitu 25/75 dengan jeda injeksi yang tinggi yaitu 60oCA.
Pada beban tinggi sebesar 4 kW, strategi split injection CNG menyebabkan buruknya konsentrasi emisi hydrocarbon (HC) dan carbon monoxide (CO) hingga berlipat ganda. Namun, ISR rendah yaitu 25/75 dengan jeda injeksi yang besar dapat menurunkan emisi nitrogen oxide (NOx) hingga 20%. Meskipun demikian, ISR rendah yaitu 25/75 dengan jeda injeksi rendah yaitu 30oCA memiliki konsentrasi emisi yang optimum dengan emisi CO hanya 10% lebih tinggi meskipun emisi HC masih berlipat ganda. Pada beban rendah sebesar 1 kW, strategi split injection CNG menyebabkan emisi HC menurun sebesar 40%, emisi CO menurun sebesar 42%, dan emisi NOx menurun sebesar 18% pada ISR rendah yaitu 25/75 dengan jeda injeksi yang tinggi yaitu 60oCA dibandingkan dengan baseline.
Pola campuran bahan bakar CNG dan udara dengan single injection dan split injection telah diidentifikasi dengan simulasi CFD. Hasilnya menunjukkan bahwa variasi single injection dan split injection memengaruhi distribusi dan stratifikasi campuran bahan bakar CNG dan udara. Injection timing dan rasio injeksi bahan bakar memengaruhi kompleksitas stratifikasi bahan bakar CNG dan udara. Split injection bahan bakar CNG dapat meningkatkan stratifikasi campuran bahan bakar CNG dan udara dengan injeksi saat IVO, serta meratakan stratifikasi campuran bahan bakar CNG dan udara dengan injeksi saat IVC.

==============
Fuel injection strategy on dual-fuel diesel/compressed natural gas (CNG) engines affects the combustion process, for example, the split injection strategy. The split injection strategy can be applied to the fuel for improving the combustion process. However, the CNG fuel injection strategy possibly varies the stratification of CNG and air mixture which affects engine combustion performance and emissions. This study aims to develop a CNG split injection system, analyze the impact of the CNG split injection strategy between the performance, combustion process, and emissions of a dual-fuel diesel/CNG engine. In addition, this study identifies the impact of the CNG split injection strategy on variations in the stratification of the CNG fuel and air mixture.
This research uses experimental and simulation methods. The experimental method uses a standard Yanmar TF MH DI engine with additional CNG fuel injection at the intake port. Experiments were performed to analyze combustion performance and emissions. Moreover, the simulation method is performed using system modeling analysis and computational fluid dynamic (CFD). The system modeling analysis is used to add analysis to the combustion process and the mixing process of CNG fuel and air. System modeling simulation is used to analyze the combustion process while CFD simulation is used to analyze the mixing process of CNG fuel and air with cold flow simulation. CFD simulation is observed on several engine parts, namely the intake port, cylinder, and exhaust port. The maximum engine load is 4 kW, experiments and simulations are analyzed at a low load of 1 kW which is 25% of the maximum load and a high load of 4 kW which is 100% of the maximum load with a constant speed of 2000 rpm. Diesel fuel injection timing is fixed at 18oCA BTDC. In addition, variations in injection timing for single injection CNG are applied to obtain optimum performance and emission results. Variations in injection timing for single injection are executed during IVO and IVC. Then, the optimum results are compared with the split injection variations, namely the dwelling time and injection split ratio (ISR) to achieve the optimum results from the split injection strategy.
The CNG split injection systems are developed with the main system, namely two injectors, two solenoid valves, and two ECUs. The result of setting the baseline fuel substitution ratio is 46% at 560oCA injection timing with injection duration of 8 ms at a low load of 1 kW and 12 ms at a high load of 4 kW. In addition, the CNG split injection system causes variations in the mass distribution of CNG fuel in the combustion chamber.
At a high load of 4 kW, CNG split injection causes a slight deterioration in thermal efficiency and SFC by up to 14% compared to baseline. In addition, CNG split injection provides a higher impact during IVC with optimal results at a low ISR of 25/75 with a low injection dwelling time of 30o. At a low load of 1 kW, CNG split injection improves combustion thermal efficiency and SFC by up to 18% compared to baseline. The results of the optimal performance and combustion process are at a low ISR of 25/75 with a high injection interval of 60o.
At a high load of 4 kW, the CNG split injection strategy causes the concentration of hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions to double. However, at a low ISR of 25/75 with a large injection interval, it reduces nitrogen oxides (NOx) emissions by up to 20%. However, at a low ISR of 25/75 with a low injection dwelling time of 30o, it has an optimum emission concentration with only 10% higher CO emissions even though HC emissions are still doubled. At a low load of 1 kW, the CNG split injection strategy causes HC emissions to decrease by 40%, CO emissions decrease by 42%, and NOx emissions decrease by 18% at a low ISR of 25/75 with a high injection dwelling time of 60o compared to baseline.
The mixture pattern of CNG fuel and air with a single injection and split injection has been identified by CFD simulation. The results show that the variation of single injection and split injection affects the distribution and stratification of the CNG fuel and air mixture. Injection timing and fuel injection ratio affect the complexity of CNG fuel and air mixture stratification. Moreover, split injection of CNG fuel can increase the stratification of the mixture of CNG fuel and air by injection during IVO, and even out the stratification of the mixture of CNG fuel and air with injection during IVC.

Item Type:	Thesis (Doctoral)
Uncontrolled Keywords:	CNG, diesel, dual-fuel, single injection, split injection
Subjects:	T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ254.7 Combustion chambers T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ324.5 Fuel systems T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ799 Diesel motor--Electronic control.
Divisions:	Faculty of Marine Technology (MARTECH) > Marine Engineering > 36001-(S3) PhD Theses
Depositing User:	Frengki Mohamad Felayati
Date Deposited:	06 Sep 2021 07:57
Last Modified:	06 Sep 2021 07:58
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/91670

Actions (login required)

View Item