EFEK PENGGUNAAN SUPERCHARGER TERHADAP UNJUK KERJA DAN KONSTRUKSI PADA SEBUAH MESIN DIESEL

Transkripsi

1 EFEK PENGGUNAAN SUPERCHARGER TERHADAP UNJUK KERJA DAN KONSTRUKSI PADA SEBUAH MESIN DIESEL Abstrak Salah satu cara peningkatan unjuk kerja mesin diesel dapat dilakukan dengan memperbaiki sistim pemasukan dan pengeluaran udara. Metode yang banyak digunakan adalah penggunaansupercharger yang menggunakan sebuah kompresor untuk membantu pemasukan udara segar. Modifikasi supercharger menjadi turbocharger yang memanfaatkan gas buang untuk memutar turbin pada saluran masuk memberikan pengaruh yang lebih baik terutama dalam unjuk kerja mesin diesel. Pada tulisan ini akan dijelaskan pengaruh penggunaan turbocharger dan konstruksi mesin diesel 1. Supercharger Supercharger adalah suatu mekanisme untuk menyuplai udara dengan kepadatan yang melebihi kepadatan udara atmosfer ke dalam silinder pada langkah hisap. Udara yang lebih padat ini akan tinggal dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompressi. Akibat udara yang densitasnya lebih tinggi maka lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar sehingga daya output mesin dapat meningkat. Tekanan udara dalam silinder sewaktu awal kompressi biasanya paling rendah 6 psi. Mekanisme supercharger berbeda dengan langkah pembilasan dalam mesin 2 langkah, dimana mekanisme supercharger bertujuan untuk meningkatkan kepadatan udara segar dalam silinder dan dapat digunakan untuk mesin 2 langkah maupun 4 langkah. Sedangkan penggunaan blower pada langkah pembilasan semata-mata menggunakan hembusan udara untuk mengeluarkan gas hasil pembakaran (gas bekas) yang masih berada dalam silinder dan menggantinya dengan udara segar yang tekanannya relatif sama dengan tekanan atm. Akan tetapi dalam semua sistim supercharging terdapat sekaligus pembilasan dan supercharging. Dengan supercharger jumlah udara atau campuran bahan bakar-udara segar yang biasa dimasukan lebih besar daripada dengan proses pengisapan oleh torak pada waktu langkah isap. Tekanan udara masuk silinder berkisar antara 1,2-2,2 kg/cm2. motor dua tak dengan supercharger akan menaikan sekaligus tekanan isap dan tekanan buang. 1

2 Tujuan utama pemakaian supercharger adalah untuk menambah daya akibat perubahan ketinggian tempat operasi (kepadatan udara rendah), ataupun untuk meningkatkan daya yang dapat diperoleh dari mesin tanpa supercharger, mengurangi biaya bahan akar; dan mengurangi berat atau ruang konstruksi pada suatu daya tertentu. Peningkatan daya output yang dapat diperoleh dari suatu mesin yang dilengkapi dengan supercharger tergantung pada beberapa faktor, tetapi yang terpenting adalah tekanan supercharging. Peningkatan dava output yang diperoleh dapat mencapai sekitar %, tetapi dengan disain khusus peningkatan yang lebih besar dapat dicapai. Mesin yang dilengkapi dengan supercharger seperti yang dikatakan sebelumnya juga menghemat bahan bakar karena daya yang diperoleh dengan supercharger meningkat dengan cepat dibandingkan dengan losses-losses akibat gesekan yang biasanya relatif tetap dan juga disebabkan oleh kecepatan udara yang tinggi menyebabkan aliran turbulen dalam ruang bakar sehingga proses pencampuran udara + bahan bakar dapat lebih cepat dan lebih balk mutunya. Dilihat dari konstruksinya dan harganya, motor diesel di bawah 100 PS tidak ekonomis menggunakan supercharger. Tetapi apabila mesin harus bekerja paa ketinggian lebih dari 1500 meter di atas laut, supercharger mempunyai arti penting dalam udaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan berkurangnya kepadatan udara atmosfer di tempat tersebut. Mesin dengan daya di antara 100 PS dan 200 PS yang banyak dipakai pada kendaraan laut tidak memperlihatkan pembatasan yang tegas, banyak juga yang menggunakan supercharger. Dalam hal tersebut kapal laut kebanyakan memakai motor diesel tanpa supercharger. Di atas 250 PS, motor diesel untuk kendaraan darat dan kapal laut biasanya diperlengkapi dengan supercharger. Unit stasioner di bawah 1000 PS, karena ukuran dan berat tidak merupakan faktor yang terlalu menentukan pada umumnya jarang menggunakan supercharger. Pada motor diesel supercharger dapat mempersingkat periode persiapan pembakaran sehingga karakteristik pembakaran menjadi lebih balk. DI samping itu terbuka kemungkinan untuk menggunakan bahan bakar dengan bilangan setana yang lebih rendah. Akan tetapi jangan hendaknya melupakan tekanan dan temperatur gas pembakaran nya karena ha1 tersebut akan menyangkut persoalan pendinginan, konstruksi, kekuatan material serta umurnya. 2

3 Untuk mencegah terjadinya tekanan maksimum yang terlalu tinggi ada kecenderungan untuk mengurangi perbandingan kompresi yang sekaligus memperingan start mesin. Karena supercharger dapat memasukkan udara lebih banyak, dapat diharapkan pembakaran menjadi lebih baik dan gas buangnya lebih bersih: Kiranya perlu pula diperhatikan, campuran bahan bakar - udara yang lebih miskin akan memperkecil penggunaan bahan bakar spesifik. Kini banyak motor diesel yang semula dirancang untuk bekerja tanpa supercharger dilengkapi dengan supercharger untuk mencapai tujuan tersebut. Pemakaian bahan bakar spesifik dari motor bensin yang memakai supercharger biasanya menjadi lebih besar. Hal ini disebabkan, terutama karena perbandingan kompresinya harus diperkecil untuk mencegah detonasi juga karena banyak bahan bakar yang keluar dari dalam silinder sebelum digunakan. Pemakaian supercharger pada motor bensin haruslah mencakup unsur kompromi antara efisiensi dan kebutuhan misalnya pada mesin pesawat terbang dan mobil balap. Pada mesin pesawat terbang, supercharger digunakan untuk memperoleh daya yang sebesar-besarnya pada waktu tinggal landas dan untuk memampas berkurangnya kepadatan udara pada ketinggian yang lebih tinggi. Boleh dikatakan, kecuali pada motor bensin yang kecil, semua pesawat terbang selalu menggunakan supercharger. Persoalan denotasi dapat diatasi dengan dengan menggunakan bensin dengan bilangan oktana yang lebih tinggi (aviation-type fuels) dan dalam banyak hal dengan menyemprotkan air alkohol ke dalam arus udara pada waktu tinggal landas. Demikian juga motor bensin untuk mobil balap, yang lebih mementingkan daya daripada efisiensi, banyak memakai supercharger. Gambar 1 berikut ini menggambarkan konstruksi sebuah turbosupercharger. Udara atmosfer masuk ke dalam kompresor, mengalami proses sehingga tekanannya naik. Kompresor digerakkan oleh turbin; hal ini dapat dilihat pada adanya poros yang menghubungkan rotor kompresor dan rotor turbin yang digerakkan oleh gas buang motor bakar torak yang menggunakan turbosupercharger tersebut. Udara yang keluar dari kompresor mengalir ke dalam saluran isap motor; melalui karbulator atau penyemprot bahan bakar, pada motor otto., selanjutnya udara mengalir ke dalam silinder. 3

4 Gbr 1 Sebuah turbosupercharger dengan katup udara (KK) dan katup gas buang (KT) dalam keadaan tertutup Apabila motor dirancang untuk mencapai efisiensi maksimum pada daerah pembebanan tinggi, maka pembebanan rendah daya dan efisiensinya turun karena pembakaran kurang sempurna. Pada beban rendah, gas buang yang terjadi tidak cukup kuat menggerakkan turbosupercharger, atau pada kondisi beban rendah tidak diperlukan supercharger; maka gas buangan dapat dibuat tidak (sernuanya) mengalir melalui turbin, dengan mengatur pembukaan katup simpang, sehingga turbocarjer tidak bekerja. Pembukaan katup simpang tersebut dapat disesuaikan dengan pembukaan katup gas; apabila katup gas terbuka penuh, katup simpang tertutup. Demikianlah, turbosupercharger haruslah cocok dan terpadu dengan motor yang menggunakan, sesuai dengan tujuan penggunaannya untuk memenuhi : kebutuhan daya, daerah putaran, karakteristik momen putar, tingkat emisi buang, pemakaian bahan bakar spesifik, ketahanan, berat, ukuran, suara, dan beberapa parameter pilihan lain yang diinginkan.. 4

5 Gbr 2. Diagram aliran udara dan gas buang pada motor torak dengan turbosupercharger Pada operasi beban penuh kedua turbocarjer bekerja. Sedangkan pada beban sebagian, hanya satu turbocarjer yang bekerja; pada kondisi ini katup KT dan katup KK tertutup sehingga turbocarjer 2 tidak bekerja Jenis-jenis Supercharger Berdasarkan jenis kompressor yang digunakan untuk menggreckon supercharger maka supercharger dapat dibagi atas : a) Supercharger, yang menggunakan positive displacement rotary compressor, dapat dibagi atas : 1. Impeler dengan 2 lobes 2. Impeler dengan 3 lobes b) Supercharger yang menggunakan Centrifugal Compressor. Sedangkan berdasarkan cara penggerakkan kompressor maka supercharger dapat dibagi lagi atas : 1. Kompressor yang digerakkan dari crankshaft mesin itu sendiri. 2. Kompressor yang digerakkan dari sumber daya luar. 3. Kompressor yang digerakkan turbin dengan pemanfaatan gas buang ( Turbocharger) yang dapat dibagi lagi atas : a.. Turbocharger 2 tingkat (Two Stage Turbochanging) b. Turbocharger majemuk (Compound Turbochanging). 5

6 1.2. Jenis-jenis Kompresor 1.2.a. Positive Displacement Rotary Compressor Positive Displacement Rotary Compressor yang digunakan dalam supercharger biasanya berasal dari tipe "ROOT" yang terdiri dari dun rotor (impeler) yang bergerak secara berlawanan. Impeler dipasang pada kedua poros yang paralel dan memiliki dua atau tiga kuping (lobes) yang saling berpasangan seperti roda gigi ketika impeler ini berputar. Udara yang masuk pada awalnya akan terjebak pada ruang antara rumah dan lembah pada lobes yang saling berdekatan, yang kemudian di bawa ke saluran keluar dan udara dipaksa memasuki ruang silinder. Untuk impeler dengan 2 kuping (lobes) (lihat Gbr. 3) memiliki sifat-sifat sebaaai berikut : 1. Menghasilkan kapasitas udara yang paling maximum. 2. Mengkonsumsi energi yang paling sedikit. 3. Pemasukan udara yang tidak kontinius. 4. Sangat berisik terutama jika bentuk lobenya lurus. Gbr. 3. Positive Displacement Rotary Compressor dengan 2 lobe. Sedangkan untuk impeler dengan 3 lobes (Gbr 4) yang berbentuk spiral, merupakan tipe root kompressor yang lebih baik dibandingkan dengan 2 lobes karena tidak berisik dan terutama karena aliran udara lebih merata (kontinue). 6

7 Gbr. 4. Positive Displacement Rotary Compressor dengan 3 lobes spiral. 1.2.b. Centrifugal Kompressor Centrifugal Compressor merupakan tipe kompressor yang menggunakan roda kecepatan tinggi yang dilengkapi sudut-sudut dan ditutup dengan casing berbentuk valve. Udara memasuki casing melalui saluran masuk, kemudian melalui sudut-sudut roda udara tersebut seolah-olah dilemparkan dengan gaya sentrifugal ke saluran keluar kompressor. Udara yang dilempar dengan kecepatan yang tinggi ini dalam saluran buang diubah energi kinetiknya menjadi energi tekanan melalui diffuser. Biasanya putaran rpm. Keunggulan Positive Displacement Rotary Compressor dibandingkan dengan Centrifugal Compressor jika penggeraknya berasal dari mesin itu sendiri adalah terletak pada kapasitas udara yang dipindahkan ke ruang silinder. Positive Displacement Rotary Compressor secara praktis akan melepas udara dalam jumlah yang sama setiap putaran mesin tanpa memperhatikan kecepatan ataupun tekanan kerja dalam silinder. Tetapi untuk kompressor sentrifugal jumlah udara yang dimasukkan ke dalam silinder tiap putaran mesin akan selalu berubah- ubah karena tergantung pada kuadrat kecepatan roda putarnya sehingga kapasitas pemasukan udaranya akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan positive displacement Rotary Compressor terutama pada putaran rendah. 7

8 2. Turbocharger Supercharging yang menggunakan turbocharger memanfaatkan energi yang terkandung dalam gas buang untuk menggerakkan kompressor sehingga lebih efektif menaikkan mean efektif pressure (mep) dibandingkan dengan metode supercarging yang lain, tanpa perlu meningkatkan kecepatan mesin, jumlah ataupun langkah silinder, maupun kecepatan rata-rata piston. Tekanan efektif rata-rata (mep) diesel engine yang menggunakan turbocharger mencapai sekitar psi ( 1103,2-1585,8 kpa), dengan penambahan daya sekitar % dibandingkan dengan diesel engine tanpa supercharger. Persyaratan utama turbocharger terletak pada ketahanan dinding silinder dalam menerima gaya tekan yang meningkat dalam silinder. Dan perbandingan berat dan daya yang dulunya 10 : 1 sekarang dapat mencapai 6: 1. Untuk mencapai daya output optimum maka efesiensi volumetris dan laju pembilasan gas bekas harus ditingkatkan. Untuk mencapai keadaan ini maka kompressi rasio harus dikurangi sedikit dan perubahan katup overlap. Secara keseluruhan, semua turbocharger serupa disainnya yaitu terdiri dari tiga sistem dasar yaitu : turbin, kompressor dan assembling bantalan (gbr. 5). Gbr. 5 Bagian-bagian turbocharger Perbedaan-perbedaan yang ada adalah pada variasi peningkatan tekanan dan debit udara yang dimasukkan dalam ruang silinder. Rumah turbin, disain roda turbin dan konstrulsi 8

9 yang berbentuk volute ataupun nozle sangat menentukan kecepatan aliran gas yang akan menggerakkan poros kompressor. Ketika mesin mulai digerakkan maka gas buang akan memasuki rumah turbin yang berbentuk volute dengan variasi ruang yang semakin kecil dengan kecepatan yang sangat tinggi. Gas buang ini kemudian diarahkan ke nozle sehingga kecepatan aliran gas buang semakin tinggi. Kecepatan gas yang sangat tinggi ini akan digunakan untuk memutar turbin, yang kemudian keluar melalui pipa buang ke atmosfer. Akibat perputaran turbin maka kompressor juga akan ikut berputar dan menyebabkan terjadinya tekanan vakum pada sisi hisap kompressor. Akibatnya tekanan atmosfer akan memaksa udara kedalam saluran hisap kompressor pada kecepatan relatif tinggi. Udara ini kemudian memasuki diffuser dan mengalami penekanan lagi pada rumah kompressor dan dikeluarkan melalui sisi tekan ke ruang silinder. Ada dua cara pengoperasian turbocharger yaitu : a). Turbocharger dua tingkat (Two stage turbocharger) Jenis ini (gbr.6) digunakan untuk meningkatkan batas torsi mesin dan tekanan effektif rata-rata (mep). Beberapa mesin tipe V dan inline menggunakan dua atau empat turbocharger dan aftercooler ( masing-masing satu untuk pipa manifold buang). Cara kerja : Udara mengalir dari saringan udara ke rumah kompressor tingkat pertama (low pressure turbocharger), kemudian keluar dari kompressor tingkat pertama dan masuk kompressor tingkat kedua. Setelah dikompress pada kompressor tingkat dua maka udara keluar melewati aftercooler menuju pipa manifold hisap silinder. Pada keadaan ini temperatur udara dikurangi sampai 223 F (1060 C) dan dengan tekanan berkisar 60,4 inhg ( 204,5 kpa). 9

10 Gbr. 6. Turbocharger dua tingkat. Gas buang hasil pembakaran memasuki pipa manifold tipe pulsa yang kemudian memasuki rumah turbin tingkat dua. Gas buang kemudian meninggalkan turbin tingkat dua dan memasuki turbin tingkat pertama yang akan menggerakkan roda turbin dengan sisa-sisa energi _yang terkandung dalam gas buang. Kemudian gas ini dibuang melalui pipa saluran buang ke atmosfer. Dengan metode ini diperkirakan diperoleh daya tanbahan sebesar 75 HP dan torsinya meningkat sampai putaran 700 rpm. b). Turbocharger Majemuk (Compund Turbocharger) Berdasarkan uji coba experimental, maka dengan metode ini efesiensi total mesin disesel dapat mencapi 46,5 %. Sistem yang mencakup roda turbin dan porosnya dihubungkan ke sebuah kopling fluida. Kemudian turbin ini dihubungkan dengan roda gigi reduksi dan poros outputnya dihubungkan dengan dengan crankshaft. (Gbr. 7). Cara kerja : Gas buang menggerakkan roda turbin yang selanjutnya akan menggerakkan kopling fluida, yang akan menyebabkan turbin akan ikut berputar. Perputaran turbin akan menggerakan roda gigi reduksi yang akan membantu pergerakan crankshaft. Gas buang yang meninggalkan rumah turbin diarahkan ke turbocharger yang akan mengerakkan turbin dan kompressor didalamnya. Akibat pergerakan kompressor maka udara atmosfer 10

11 akan ditarik kedalam kompressor dan ditekan melalui aftercooler masuk ke dalam ruang silinder sehingga suhunya senantiasa konstan. 3. Perubahan Konstruksi Mesin Diesel Untuk Pemasangan Supercharger Jika suatu supercharger hendak dipasang pada sebuah unit mesin diesel maka ada beberapa perubahan yang perlu diperhatikan, yaitu : 1. Katup overlap Dalam keadaan normal maka katup overlap pada mesin empat langkah terjadi pada Akan tetapi pada mesin yang dilengkapi supercharger, makawaktu katup overlapp ini ditingkatkan menjadi , dimana selama periode ini kedua katup terbuka sehingga udara yang berasal dan supercharger secara efektif dapat membersihkan ruang, bakar dari gas-gas bekas. Juga keadaan ini dapat memberikan efek pendinginan terutama pada pipa dan katup buang. 2. Peningkatan volume clearance Pembesaran ruang bakar (peningkatan volume clearance) dibutuhkan untuk menjaga compressi rasio dan tekanan maksimum (pembakaran) agar tetap berada pada batas-batas seperti pada mesin tanpa supercharger. 3. Perubahan pompa injector Karena tekanan dalam silinder yang relatif lebih tinggi dibanding mesin tanpa supercharger, maka pompa injector harus diganti dengan pompa yang lebih tinggi tekanannya agar mampu menyemprotkan bahan bakar kedalam ruang bakar. Disamping itu dengan peningkatan kemampuan pompa maka bahan bakar dapat lebih banyak disemprotkan jika diinginkan campuran yang kaya, karena udara yang menunggu dalam silinder sudah lebih padat sehingga jika proses pembakaran dilakukan maka daya output yang dihasilkan akan lebih besar. 11

12 4. Sistem pengaturan udara yang masuk silinder Karena mesin-mesin kompresi tinggi sangat sensitif terhadap perubahan air-fuel ratio, maka jumlah udara yang disuplai supercharger ataupun turbocharger harus diatur agar air-fuel rationya tetap cocok dengan beban dan kecepatan mesin serta temperatur atmosfer. Mesin-mesin besar biasanya memiliki sistem kontrol automatik untuk proses pengontrolan ini. Metode pengaturan udara yang masuk ke dalam silinder ini dapat dilakukan dengan cara menempatkan katup pada saluran buang silinder, sehingga gas buang yang memasuki turbin terkontrol ataupun dengan menempatkan katup pada saluran masuk silinder sehingga udara atmosfer yang langsung dikontrol. 4. Kesimpulan 1. Daya output (BHP) akan meningkat sebesar % untuk mesin diesel yang dilengkapi, dengan supercharger. 2. Spesific Fuel Consumption (SFC) akan menurun dengan pemakaian supercharger, karena : a) Tekanan udara yang masuk dalam silinder sudah sedemikian tingginya akibat padatnya udara melebihi tekanan atmosfer sehingga proses percampuran bahan bakar dan udara menjadi lebih mudah. b) Kecepatan udara masuk kedalam silinder begitu tinggi sehingga terjadi aliran turbulen dalam ruang bakar yang memudahkan percampuran bahan bakar dan udara 3. Pemakaian supercharger sangat bermanfaat terutama pada mesin-mesin diesel yang beroperasi pada ketinggian > 1500 m dpl dimana kepadatan udara rendah, karena dengan pemakaian supercharger maka tekanan dalam silinder akan tetap tinggi. 4. Pemakaian supercharger menyebabkan campuran bersifat masalah sehingga gas buang menjadi relatif lebih bersih. 5. Pemakaian supercharger akan menghemat energi karena energi yang terkandung dalam gas buang masih dapat dimanfaatkan untuk menambah daya output mesin melalui mekanisme turbocharger. 12

13 Referensi: 1. Arismunandar, Motor Bakar Torak. PT Gramedia Indonesia. Jakarta, Obert, E>F International Combution Engines, 3' ed, International Textbook Company, Scranton, Pennsylvania, Hopwarth, M. H, The design of High Speed Diesel Engines, Amerika Elsevie Publishing Company, Inc., New York,