BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Pandangan Umum Turbin adalah penggerak mula ( prime mover ) yang mengubah energi kerja fluida menjadi energi mekanis untuk memutar roda turbin. Turbin terdiri dari dua bagian pokok, yaitu bagian yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian yang tidak bergerak disebut stator atau rumah turbin. Roda turbin terletak didalam rumah turbin dan roda turbin ini memutar bebannya ( generator listrik, pompa, kompresor dan lain-lain ). Sedangkan fluida kerja turbin dapat berupa air, uap air atau gas. Dilihat kerjanya, Turbin dibagi atas tiga jenis, yaitu : 1. Turbin Air 2. Turbin Uap 3. Turbin Gas ` Turbin air adalah pesawat air yang mengubah energi potensial air menjadi energi mekanis, sedangkan turbin uap dan turbin gas termasuk pesawat kalor, yaitu pesawat yang mnengubah energi kalor/panas menjadi energi mekanis secara terus-menerus dan teratur. Adapun pada Tugas Akhir ini difokuskan pada turbin gas saja. 5

2 2.2 Prinsip Kerja Turbin Gas Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya. Sebenarnya turbin gas adalah merupakan komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama, yaitu : 1. Kompresor Berfungsi menghisap dan mengkompresikan udara. 2. Ruang bakar Merupakan tempat dimana bahan bakar dan udara bertekanan dari kompresor dibakar, sehingga temperatur gas akan naik pada tekanan tetap. 3. Turbin gas Berfungsi menggerakkan kompresor udara yang menghasilkan daya guna. Gas yang panas tadi akan berekspansi dalam turbin ini. Energi panas yang terdapat dalam gas terlebih dahulu diubah menjadi energi kinetis dalam pipa pancar. Dalam pipa pancar jatuh kalor terjadi secara adiabatic. Adapun prinsip kerja dari suatu sistem turbin gas adalah, udara atmosfir masuk kedalam kompresor yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga temperaturnya akan naik. Kemudian udara yang bertekanan dan temperatur tinggi itu masuk kedalam ruang bakar. Didalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar kedalam arus udara tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut berlangsung pada tekanan konstan, sehingga boleh dikatakan 6

3 bahwa ruang bakar hanyalah dipergunakan untuk menaikkan temperatur udara yang bersangkutan. Oleh karena itu ruang bakar dapat saja diganti oleh sebuah alat pemanas. Gas pembakaran yang bertemperatur tinggi itu kemudian masuk ke dalam turbin gas dimana energinya dipergunakan untuk melakukan kerja memutar roda turbin. Sebanyak + 60% daya yang dihasilkan turbin dipergunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan sisanya baru dapat dipergunakan untuk memutar bebannya ( generator listrik, pompa, kompresor, dan sebagainya ). 2.3 Klasifikasi Turbin Gas Secara umum turbin gas dapat diklasifikasikan menjadi 2 (dua) bagian, yaitu : 1. Turbin Impuls Pada turbin ini proses ekspansi terjadi dalam sudu tetap ( nozzle ) dan jatuh kalor seluruhnya dirubah menjadi energi kecepatan. Kemudian gas yang keluar dari nozzle dengan kecepatan tinggi diarahkan terhadap sudu jalan sehingga timbul gaya impuls yang menyebabkan roda turbin berputar. 2. Turbin Reaksi Pada turbin ini proses ekspansi terjadi sebagian pada sudu tetap ( nozzle ) dan sebagian lagi pada sudu jalan, jadi jatuh kalor terbagi dua. Keuntungan dariturbin ini adalah effisiensinya tinggi, sedangkan kerugiannya adalah konstruksi yang lebih rumit. 7

4 2.4 Siklus Pada Sistem Turbin Gas Turbin gas adalah salah satu sistem yang menghasilkan suatu konversi energi dan membangkitkan daya. Pada sistem turbin gas tersebut melibatkan suatu fluida kerja dalam hal ini udara atmosfir yang disirkulasikan melaui sistem dalam suatu siklus. Siklus pada sistem turbin gas berdasarkan arah aliran fluida kerjanya dapat diklasifikasikan atas : 1. Turbin gas dengan siklus terbuka 2. Turbin gas dengan siklus tertutup 3. Turbin gas dengan siklus setengah tertutup 4. Turbin gas dengan dua poros Turbin gas dengan siklus terbuka Dalam siklus terbuka, fluida kerja yang dipakai diambil dari udara atmosfir, kemudian dimampatkan dalam kompresor yang akhirnya bersama bahan bakar, dibakar dalam ruang pembakaran. Gas panas hasil pembakaran akan berekspansi pada sudu-sudu, dan kemudian akan dibuang ke udara atmosfir kembali. Karena fluida kerja yang dipergunakan adalah udara atmosfir yang langsung masuk ke dalam kompresor, maka pada siklus terbuka ini terdapat beberapa kerugian yang disebabkan oleh kotoran-kotoran yang dapat ikut masuk ke dalam kompresor antara lain : 8

5 1. terjadi pengendapan kotoran pada sudu-sudu kompresor dan turbin. 2. Terjadi korosi pada sudu-sudu kompresor, turbin dan ruang bakar. RUANG BAKAR KOMPRESOR TURBIN Gambar 2.1 Turbin gas siklus terbuka Turbin gas dengan siklus tertutup Dalam siklus tertutup, fluida kerja yang dipakai akan disirkulasikan secara terus-menerus pada siklus selanjutnya, jadi tidak akan terjadi pembuangan gas ataupun penambahan fluida kerja secara kuantitas. Fluida kerja dipanaskan kembali secara tidak langsung ( secara konveksi ) dengan membakar bahan bakar di ruang pembakaran, yang dilewatkan melalui pipapipa di dalam ruangan tersebut. Jadi fluida kerja tidak bersama-sama menjadi satu dengan gas hasil pembakaran. 9

6 Gambar 2.2 Turbin gas siklus tertutup Turbin gas dengan setengah tertutup Siklus setengah tertutup merupakan gabungan dari kedua siklus di atas (terbuka dan tertutup), sehingga terjadi suatu siklus dimana fluida kerja dalam tersebut, sebagian menjalani siklus terbuka dan sebagian lagi menjalani siklus tertutup. Jadi akan selalu terjadi penamabahan udara dari atmosfir dan pembuangan gas dalam siklus ini. 10

7 Gambar 2.3 Turbin gas siklus setengah tertutup Turbin gas dengan dua poros Pada type ini turbin mempunyai dua poros dan dua bagian turbin. Turbin pertama biasa disebut gas procedur turbine, berfungsi untuk memutar kompresor udara dan turbin yang kedua disebut power turbine berfungsi untuk memutar beban. 11

8 Gambar 2.4 Turbin gas dengan dua poros 2.5 Siklus Brayton Siklus ideal dari sistem turbin gas sederhana adalah siklus Brayton. Pada siklus ini terdapat empat proses yang dapat ditunjukkan oleh diagram p-v dan diagram T-s pada gambar

9 Gambar 2.5a. Diagram p-v siklus Brayton Gambar 2.5b. Diagram T-s siklus Brayton 13

10 Proses-proses pada siklus Brayton adalah : 1. Proses 1-2 : Proses kompresi isentropik didalam kompresor. 2. Proses 2-3 : Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan (dalam proses isobar) didalam ruang bakar atau alat pemindah kalor (alat pemanas). 3. Proses 3-4 : Proses ekspansi isentropik didalam turbin. 4. Proses 4-1 : Proses pembuangan kalor pada tekanan tetap Siklus Brayton Ideal Siklus Brayton ideal adalah siklus Brayton yang memenuhi keadaankeadaan sibawah ini : 1. Proses kompresi dan ekspansi adalah sescara adiabatic dapat balik (isentropik). 2. Perubahan energi kinetik dari fluida kerja ketika masuk dan keluar pada tiap-tiap komponen diabaikan. 3. Tidak ada kerugian tekanan pada saluran masuk, ruang bakar, saluran keluar dan saluran saluran yang menghubungkan tiap-tiap komponen. 4. Menggunakan fluida kerja gas ideal. 5. Massa aliran gas konstan pada tiap siklus. 14

11 2.5.2 Siklus Brayton Yang Sebenarnya Siklus Brayton yang sebenarnya adalah menyimpang dari keadaaan ideal, karena : 1. Proses kompresi dan ekspansi tidak pernah terjadi secara isentropik. 2. Fluida kerja bukan gas ideal dengan Cp konstan. 3. Terjadi penurunan tekanan didalam ruang bakar atau alat pemindah kalor yang tidak dapat dihindarkan. 4. Pembakaran didalam ruang bakar yang tidak sempurna. 5. Massa aliran fluida kerja yang tidak konstan. Karena terdapatnya penyimpangan-penyimpangan ini, siklus Brayton yang sebenarnya berbeda dengan siklus Brayton ideal, seperti dapat terlihat pada gambar 2.6 yaitu diagram T-s siklus Brayton yang sebenarnya. Gambar 2.6 Diagram T-s siklus Brayton sebenarnya 15

12 Dimana : Proses 1-2'-3-4' : adalah siklus Brayton ideal Proses : adalah siklus Brayton yang sebenarnya 2.6 Prinsip Dasar Turbin Gas Pada turbin gas perubahan energi kalor menjadi energi kinetik terjadi didalam pipa pancar (nozzle). Kemudian gas yang keluar dari pipa pancar yang diarahkan pada sudu-sudu jalan turbin. Sehingga aliran dari massa gas tersebut mengalami perubahan momentum dalam geraknya pada sudu. Perubahan momentum ini mengakibatkan timbulnya gaya keliling pada roda turbin. 2.7 Bagian bagian Turbin Gas Gambar 2.7. Bagian-bagian Turbin Gas 16

13 Bagian-bagian dari turbin gas biasanya terdiri dari : 1. Saluran udara masuk 2. Kompresor udara 3. Difusor 4. Ruang bakar 5. Turbin daya 6. Saluran gas buang Alat-alat tambahan yang biasa terdapat pada turbin gas : 1. Pre-Coleer Berfungsi mendinginkan udara yang akan masuk ke kompresor. 2. Inter-Cooler Berfungsi mendinginkan udara yang akan keluar dari kompresor pertama sebelum masuk ke kompresor selanjutnya (meningkat efisiensi thermis). 3. Regenator Berfungsi memanaskan udara sebelum masuk ke ruang bakar dengan memanfaatkan gas buang 4. Reheater Berfungsi mamanaskan kembali gas hasil pembakaran sesudah dipakai untuk digunakan pada turbin selanjutnya. 5. Heater Berfungsi menambahkan panas terhadap fluida kerja yang digunakan 17

14 pada siklus tertutup. Keuntungan dan kerugian adanya alat tambahan : A. Keuntungannya : 1. Effisiensi thermis lebih rendah 2. Prestasi kerja lebih baik dan dapat dipercaya 3. Lebih hemat dalam pemakaian bahan bakar sehingga biaya operasi lebih rendah. B. Kerugiannya : 1. Berat bertambah 2. Konstruksi lebih rumit sehingga perawatannya lebih sulit 3. Biaya awal lebih tinggi Prinsip kerja Supercharger Daya dari suatu motor bakar sangat bergantung pada massa udara dan kwantitas bahan bakar yang tersedia. Dengan kata lain sangat bergantung pada tekanan effektif rata-rata (mep) dari motor tersebut. Jadi untuk memperoleh daya yang lebih besar dapat dilakukan dengan memperbesar volume langkah (dimensi silinder) atau dengan menambah kecepatan putar motor. Tetapi dengan penambahan volume langkah berarti dimensi motor menjadi besar sedangkan penambahan kecepatan putar motor akan menimbulkan masalah teknis dan kerugian-kerugiannya. Penambahan daya suatu motor tanpa mengubah volume langkah dan kecepatan motor dapat dilakukan dengan meningkatkan Mep (tekanan effektif 18

15 rata-rata) dari sutu motor tersebut. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan supercharger yang akan menaikkan volume jenis udara dan juga tekanannya. Supercharger ini berupa kompresor yang digerakkan oleh sebagian daya yang diambil dari motor dengan cara mengkopel pada poros engkolnya. Supercharger jenis ini disebut superchargermekanis. Supercharger jenis lain yaitu Turbocharger atau Turbokompresor dimana penggerakknya adalah turbin gas yang memanfaatkan energi panas dari gas buang sisa hasil pembakaran pada motor diesel Prinsip Kerja Turbocharger Pada proses pembakaran bahan bakar dan udara didalam silinder motor diesel, tidak seluruh nilai kalor bahan bakar dapat diubah menjadi kerja. Akan tetapi ada sebagian dari nilai kalor tersebut yang terbuang, dan ini merupakan kerugian kalor. Diantaranya adalah kerugian kalor dari gas-gas sisa hasil pembakaran bahan bakar yang terbuang percuma. Gas sisa hasil pembakaran ini (gas panas) digunakan untuk menggerakkan turbin gas pada turbocharger. Gas panas dialirkan melalui saluran pipa pembuangan masuk kedalam turbin. Ekspansi gas panas didalam turbin mengubah energi kalor gas menjadi energi kecepatan, yaitu memutar sudu-sudu turbin dan membuat torsi keroda sudu turbin. Daya keluaran yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor udara. Kompresor udara lalu menghisap udara luar (udara atmosfir), ditekan 19

16 dan kemudian dimasukan ke ruang bakar silinder-silinder motor diesel melalui pipa udara charger. Hubungan mekanik antar motor diesel dengan turbin gas tidak ada. Hubungan yang ada hanyalah oleh gas panas (gas buang) dari motor diesel yang masuk ke dalam turbin dan oleh udara pengisian yang dikompresikan oleh kompresor keruang bakar motor diesel. Energi kalor didalam gas buang sisa hasil pembakaran bahan bakar dan udara dimanfaatkan untuk menggerakkan turbin. Gas sisa pembakaran dengan temperatur tinggi dialirkan kedalam turbin sehingga ekspansi gas panas tersebut didalam turbin menghasilkan daya output yang digunakan untuk menggerakkan kompresor. Kompresor akan mengkompresikan udara luar sehingga tekanan dan jumlah udara yang masuk kedalam ruang bakar motor diesel akan meningkat, sehinggga akan diharapkan adanya peningkatan daya motor diesel. Masalah didalam perencanaan turbin gas ini adalah mengenai kemampuan turbin gas sebagai penggerak kompresor dari turbocharger. Besarnya turbocharger yang digunakan tergantung pada kebutuhan udara dari motor diesel. Jumlah bahan bakar yang dapat terbakar didalam silinder motor diesel dibatasi oleh banyaknya udara yang dapat digunakan selama pembakaran, tekanan dan temperatur gas pembakaran yang diijinkan serta beban panas yang dapat dipikul oleh dinding-dinding sekeliling ruang pembakaran. Demikian juga kondisi gas panas yang masuk kedalam turbin dibatasi oleh temperatur maksimum tertentu yang diijinkan. 20

17 2.8 Kompresor Sentrifugal Kompresor pada turbocharger adalah alat untuk menaikkan tekanan udara, dan udara tersebut digunakan untuk pembakaran pada motor diesel. Kompresor tersebut langsung dihubungkan dengan turbin, sehingga daya turbin setelah dikurangi dengan kerugian-kerugian dapat dianggap sebagai daya kompresor. Kompresor yang digunakan pada sistem turbin gas umumnya adalah dari jenis turbokompresor yaitu kompresor aksial dan kompresor sentrifugal. Pada perencanaan turbocharger yang mana lebih diutamakan kekompakkan, maka lebih disukai memakai kompresor jenis sentrifugal. Kompresor sentrifugal terdiri dari dua bagian utama yaitu impeller dan diffuser yang mana disini udara yang masuk akan mengalami perubahan energi yaitu kecepatan menjadi energi tekanan. Karena gaya sentrifugal yang diperoleh dari putaran poros, udara masuk kedalam mata impeller. Berputar dengan kecepatan tinggi pada sudu impeller. Karena kecepatan sentripental yang diperoleh dengan head tekanan, maka tekanan statis akan naik dari mata impeller sampai ujung impeller. Sebagian kenaikkan tekanan didapat didalam diffuser dimana udara yang keluar dengan kecepatan yang sangat tinggi diturunkan. 2.9 Pelumas dan Pendinginan Pelumasan pada turbocharger adalah untuk melumasi bantalan bantalan poros. Tujuan dari pelumasan disini adalah sebagai berikut : 21

18 1. sebagai pelumas Minyak pelumas akan mengisi celah celah antara dua bagian yang bergesekkan, sehingga membentuk lapisan oil film yang akan mencegah persinggungan langsung antara dua bagian tadi. Hal ini berarti mengurangi keausan dan meningkatkan effisiensi. 2. sebagai pendingin Aliran minyak pelumas yang terus menerus akan mengambil kalor akibat pergesekan, sehingga temperaturnya akan naik. 3. sebagai pembersih Selama mesin bekerja, aliran minyak pelumas akan membawa kotoran kotoran atau serpihan logam yang terjadi akibat keausan mesin. Minyak pelumas yang digunakan adalah minyak pelumas SAE 50. Dengan viskositas absolute = 120 centioses pada temperatur 50 o C. Pendinganan pada turbocharger dimaksudkan untuk menjaga temperatur chasing turbin agar berada dalam batas batas kekuatan material. Oleh karena aliran gas panas terus menerus maka chasing turbin terbuat dari besi tuang akan mengalami thermal stress. Untuk itu chasing perlu didinginkan dengan air yang disirkulasikan dari radiator. 22

19 2.10 Bagian bagian Turbocharger Gambar.2.8 skematis Turbocharger Suatu pemahaman dari operasi atau kegunaan berbagai bagian diperlukan untuk pemahaman sepenuhnya dari seluruh turbocharger. Setiap unit mempunyai fungsi khusus masing masing yang harus dilakukan dan bekerja sama dengan bagian lain. 23

20 Bagian bagian dari turbocharger antara lain adalah : 1. air inlet yang berfungsi sebagai masuknya udara dari luar (udara atmosfir) yang dihisap oleh kompresor. 2. oil inlet yang berfungsi untuk masuknya oli kedalam turbocharger. Oli ini berfungsi untuk mengisi celah celah antara dua bagian yang bergesekan sehingga membentuk lapisan oil film yang akan mencegah terjadinya persinggungan langsung antara dua bagian tadi. Hal ini akan mengurangi keausan dan meningkatkan effisiensi. Juga sebagai pendingin dan pembersih. 3. exhaust gas inlet yang berfungsi sebagai masuknya gas buang yang dihasilkan dari sisa pembakaran. Gas ini berfungsi untuk menggerakkan turbin gas pada turbocharger. 4. feed housing/exhaust diffuser berfungsi sebagai saluran pipa pembuangan masuk gas panas ke turbin untuk dirubah menjadi energy kecepatan. 5. waste gate valve adalah katup yang digerakkan oleh actuator untuk membuka dan menutup. 6. bearing sleeve berfungsi sebagai bantalan dari compressor impeller, untuk mengurangi keausan disebabkan terjadinya gesekan gesekan. 7. turbin rotor berfungsi mengubah energy kalor gas menjadi energi kecepatan yaitu memutar sudu sudu turbin dan membuat torsi keroda sudu turbin. Daya keluaran dari turbin berfungsi untuk menggerakkan compressor. 24

21 8. exhaust gas outlet adalah pipa yang berfungsi sebagai pipa dari sisa gas pembuangan dari turbin karena ada sebagian kalor yang terbuang dan ini merupakan kerugian kalor. 9. bearing bust berfungsi sebagai tempat poros berputarnya dari compressor impeller. 10. oil exit untuk mengeluarkan oli setelah dipakai. 11. bearing housing adalah rumah bantalan untuk menjaga bantalan agar tetap pada posisi yang presisi. 12.air outlet to cylinder. Pipa saluran udara yang masuk kedalam silinder untuk pembakaran. 13.compressor impeller berfungsi untuk menghisap udara luar (atmosfir) ditekan dan kemudian dimasukkan ke ruang bakar silinder silinder motor diesel melalui saluran pipa udara charger. 14.actuator berfungsi untuk mengatur tekanan maksimum turbocharging dengan menggerakkan waste gate valve untuk membuka dan menutup. 15.compressor housing/caring/diffuser adalah rumah atau tempat dudukan bagi compressor. 16.intake housing/caring adalah rumah saluran udara luar masuk (atmosfir). 25

22 Gambar 2.9 Beragam jenis konstruksi dari Turbocharger 2.11 Mesin Diesel Mesin diesel adalah jenis mesin khusus dari mesin pembakaran dalam. Sesuai dengan namanya, mesin pembakaran dalam adalah mesin panas yang didalamnya energi panas yang dihasilkan dari pembakaran kimia dikonversikan didalam silinder mesin. 26

23 Terdapat beberapa alasan mengapa mesin diesel tidak hanya menyaingi mesin panas yang lain, tetapi dalam banyak hal menguasai medan. Kelas pelayanannya adalah faktor utama khusus. Salah satu yang menonjol dari mesin diesel adalah pada alat alat transportasi didarat dan diair, contoh truk, kerata rel, lokomotif, traktor, perahu dan kapal. Dalam banyak instalasi ukuran kecil dan sedang, dibidang pertanian dan industry kecil, disebabkan kesederhanaan dan biaya rendah dalam operasinya menentukan bahwa pemakaian mesin dengan bahan bakar minyak lebih disukai dari pada mesin uap atau motor listrik. Dalam instalasi daya besar, yang digunakan untuk menghaslkan arus listrik atau penggerak kapal, maka penghematan bahan bakar menentukan pilihan pada mesin diesel Karekteristik Mesin Diesel Karakteristik utama mesin diesel yang membedakan dari motor bakar lain adalah metoda penyalaan bahan bakar. Dalam mesin diesel bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder, yang berisi udara tekanan tinggi. Selama kompressi udara dalam silinder mesin, suhu udara meningkat sehingga ketika bahan bakar dalam bentuk kabut halus bersinggungan dengan udara panas ini akan terbakar dengan sendirinya dan tidak dibutuhkan alat penyalaan lain dari luar. Karena alasn ini mesin diesel juga disebut mesin penyalaan kompressi. Karakteristik mesin diesel lain yang penting adalah bahwa mesinnya menghasilkan momen punter yang tidak tergantung pada kecepatan, karena 27

24 banyaknya udara yang dihisap kedalam silinder pada langkah isap dari torak hanya sedikit dipengaruhi oleh kecepatan mesin. Banyaknya bahan bakar yang dapat dibakar didalam silinder untuk setiap langkah isap serta usaha yang bermanfaat ditimbulkan oleh aksi torak, dengan demikian hampir konstan. Yang lebih penting adalah fakta bahwa mesin diesel mempunyai effisiensi panas lebih tinggi dari pada mesin panas lain, menggunakan sedikit bahan bakar untuk penyedia daya yang sama serta menggunakan bahan bakar lebih murah dari bensin. Tentu saja terdapat beberapa kerugian dibandingkan dengan mesin bensin : 1. Agak lebih berat untuk daya kuda yang sama. 2. Pada mesin kecepatan tinggi operasinya agak berat. 3. Harga awal yang sangat tinggi. 4. Tidak bisa digunakan untuk putaran tinggi (>30000rpm) Klasifikasi Mesin Mesin diesel dibagi menjadi beberapa kelompok yang masing masing dibedakan menurut salah satu dari ciri berikut : - Daur operasi, metode pengisian silinder dan design umum. Klasifikasi yang terakhir mencakup jumlah dan kedudukan silinder, metode penginjeksian dan pembakaran bahan bakar, kecepatan dan sebagainya. 28

25 Daur operasi. Mesin diesel dapat dibagi menjadi yang beroperasi pada daur tekanan konstan dan beroperasi pada daur kombinasi. Metode pengisian. Mesin diesel dapat dibagi menjadi empat langkah dan mesin dua langkah torak, atau satu putaran poros engkol. Design umum. Semua mesin dapat dibagi menjadi mesin bekerja tunggal dan mesin bekerja ganda. Design kerja ganda hanya digunakan untuk mesin besar. Klasifikasi lainya dilihat dair konstruksi silindernya : Mesin horizontal, vertical, satu garis, jenis v, radial dan silinder yang berlawanan yang horizontal, vertical, sejajar, condong dan berbentuk bintang. Juga mesin dengan silinder tunggal dan jamak, dengan dua, tiga, empat, eman dan kadang kadang 24 silinder. Metode penginjeksian bahan bakar. Dalam mesin diesel kecepatan rendah yang asli bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder oleh hembusan udara. Perlengkapan injeksi udara terlalu berat dan rumit untuk mesin kecepatan tinggi dibandingkan dengan menggunakan lubang kecil, pada jenis injeksi tanpa udara mekanis. Saat ini injeksi mekanis digunakan untuk segala jenis dan ukuran dari mesin diesel. Kecepatan. Klasifikasi mesin menurut kecepatannya sebagai mesin kecapatan rendah, menengah dan tinggi. Factor kecepatan mempengaruhi design mesin, pemeliharaan dan umurnya. Bahan bakar diesel. Bahan bakar diesel terdiri dari distilasi bertingkat cairan minyak bumi dengan viskositas berat jenis dan mutu pembakaran yang berbeda dengan bahan bakar bensin. Untuk mesin diesel kecepatan 29

26 rendah dapat beroperasi dengan hamper setiap bahan bakar cair, dari minyak tanah (karosin) sampai minyak bunker C. untuk kecepatan putar sedangg biasanya digunakan bahan bakar solar yang biasa terdapat ditempat tempat pengisian bahan bakar. Akan tetapi berbeda dengan mesin berkecepatan putar tinggi modern, karena singkatnya selang waktu yang tersedia untuk pembakaran tiap daur, maka memerlukan minyak bahan bakar yang lebih ringan dan lebih khusus, contonya aftur yaitu jenis minya solar yang diberi additive. Sifat sifat bahan bakar yang mempengaruhi prestasi dan keandalan dai mesin diesel : 1.penguapan(volatility), 2.residu karbon, 3.viskositas, 4.kandungan belerang, 5.abu(ash), 6.air dan endapan, 7.titik nyala, 8.titik tuang(pour point), 9.sifat korosi(corrosiveness), 10.keasaman(acidity), 11.mutu penyalaan. Gambar 2.10 skematis mesin diesel empat langkah 30

27 Gambar penampang melintang dari mesin diesel tertentu : 1.lapisan silinder; 2.kepala silinder; 3.torak; 4.batang engkol; 5.poros engkol; 6.pena engkol; 7.tutup bantalan utama; 8.bantalan batang engkol; 9.katup buang; 10.ring piston; 11.pen engkol; 12.katup buang; 13.katup masuk; 14.poros nok; 15.nok; 16.penikut nok; 17.batang dorong; 18.lengan ayun; 19.pegas katup; 20.blok silinder atau karter; 21.plat landasan Bagian bagian Mesin Suatu pemahaman dari operasi atau keguanaan berbagai bagian diperlukan untuk pemahaman sepenuhnya dari seluruh mesin. Setiap bagian atau unit mempunyai fungsi khusus masing masing yang harus dilakaukan dan bekerja sama dengan bagian lain membentuk mesin diesel. Mesin diesel bervariasi dalam penampilan luar, ukuran, jumlah dan pengaturan silinder dan detail konstruksi. Tetapi, semua mempunyai bagian utama yang sama yang meskipun kelihatan berbeda tetapi melakukan fungsi yang sama. Setiap mesin diesel mempunyai sedikit bagian bagian kerja utama; bagian bagian bantu diperlukan untuk menyatukan bagian yang bekerja dalam prestasinya. Bagian bagian yang bekerja seperti yang terlihat pada gambar 2.10 skematis mesin diesel empat langkah adalah : - Silinder yaitu tempat bahan bakar dan campuran udara bakar dan daya yang ditimbulkan dan merupakan jantungnya mesin. Bagian dalam silinder terdiri dari lapisan (liner) atau slongsong (sleeve). Diameter dalam silinder disebut lubang (bore). 31

28 - Kepala silinder (sylinder head) menutup ujung silinder dan sering bersisikan katup tempat udara lewat dan bahan bakar diisikan serta gas buang dikeluarkan. - Torak (piston). Ujung lain dari ruang kerja silinder terdapat torak yang meneruskan daya yang dihasilkan karena pembakaran bahan bakar poros. Cincin torak (piston ring) yang dilumasi dengan minyak mesin menghasilkan seal gas antara torak dan lapisan silinder. Jarak perjalanan torak dari satu ujung silinder keujung silinder yang lain disebut langkah (stroke). - Batang engkol (connecting rod). Satu ujung yang disebut ujung kecil dari batang engkol. Dipasang pada pena torak (piston pin) yang terletak didalam torak. Ujung yang lain atau ujung besar mempunyai bantalan untuk pena engkol. Batang engkol mengubah dan meneruskan gerak bolak balik (reciprocating) dari torak menjadi pergerakan putar. - Poros engkol (crankshaft). Poros engkol berputar karena torak mendorang melalui batang engkol dan pena engkol yang terletak diantara pipi engkol (crankweb) dan meneruskan daya dari torak kepada poros engkol. Bagian dari poros engkol yang didukung oleh bantalan utama dan berputar didalamnya desbut tap (journal). - Flywheel dengan berat yang cukup dipasang pada poros engkol dan meyimpan energy kinetik yang berlebihan dan mengembalikan lagi kepada poros engkol selama terjadi kekurangan energy. 32

29 - Poros nok (camshaft) yang digerakan oleh poros engkol oleh penggerak rantai atau roda gigi pengatur waktu pengoperasian katup pemasukan dan katup buang melalui nok, cam follow, batang dorong dan lengan ayun. Pegas katup berfungsi menutup katup/mengembalikan seperti kedudukan semula. - Karter (crankcase) berfungsi menyatukan silinder, torak dan poros engkol, melindungi semua bagian yang bagia yang bergerak dan bantalannya, dan merupakan resevior bagi minyak pelumas. Disebut sebuah blok silinder kalau lapisan disisipkan didalamnya. Bagian bawah karter disebut plat landasan (bedplate). Bahan bakar dimasukkan ke dalam ruang bakar oleh sistem injeksi yang terdiri atas pompa, saluran bahan bakar, dan injector yang juga disebut nozzle injeksi bahan bakar Bahan Bagian bagian mesin diesel pada umumnya terbuat dari besi tuang. Tetapi untuk mendapatkan mesin yang lebih ringan, bagian bagian tertentu, misalnya torak dan kepada silinder, dapat dibuat dari paduan alumunium ringan. Blok silinder, karter dan plat landasan sering dibuat dari plat atau keeping baja bilas. Bagian bagian bergerak yang mendapatkan tegangan atau pengausan relative besar, misalnya : poros engkol dan batang engkol dibuat dari baja. 33

30 Prinsip Kerja Mesin Diesel Empat Langkah 1. Langkah Hisap : Langkah isap adala apabila piston bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB), menyebabkan katup hisap terbuka dan katup buang tertutup. Udara murni diisap kedalam silinder melalui saluran isap. 2. Langkah Kompressi : Dalam langkah kompressi ini udara yang berada didalam silinder dimanfaatkan oleh torak yang bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), katup isap dan katup buang dalam keadaan tertutup. Selama langkah kompressi ini tekanan dan suhu udara dalam silinder akan naik. Suhu udara pada akhir kompressi telah demikian tinggi hingga melampaui titik nyala solar. 3. Langkah Kerja : Pada langkah kerja ini kedua katup yaitu katup hisap dan katup buang mesin dalam keadaan tertutup. Partikel partikel bahan bakar yang disemprotkan oleh nozzle akan bercampur dengan udara yang mempunyai takanan dan suhu tinggi sehingga terjadi pembakaran didalam silinder. Pembakaran bahan bakar tersebut menyebabkan gas gas hasil pembakaran memuai dan mampu mendaorang torak kebawah. 4. Langkah Buang : Pada langkah buang ini torak bergerak dari titik mati bawah (TMB) ke titik mati atas (TMA), katup hisap tertutup dan dan katup buang terbuka, maka 34

31 gas bekas pembakaran terdorong keluar. Gambar 2.11 Prinsip Kerja Motor Diesel 4 TAK Caterpillar Industrial Engine 3306 Engine adalah mesin diesel caterpillar yang banyak digunakan bagi beberapa industri dan kapal, tetapi dalam bab ini saya hanya membahas pada penggerak weel loader saja. Insutrial engine adalah mesin yang menggunakan radiator pada sistem pendinginnya (cooling system). Mesin ini merupakan jenis mesin tipe precombustion chamber (ruang bakar kamar depan), yang mana bahan bakar disemprotkan kedalam precombustion kedalam chamber oleh injection 35

32 nozzle. Sebagai bahan bakar yang tidak terbakar dalam precombustion chamber didorong melalui saluran kecil antara precombustion chamber dan ruang bakar utama. Sementara terjadi pencampuran yang bahan bakar yang baik untuk dapat terbakar seluruhnya pada ruang bakar utama. Pada meisn mesin diesel dengan sistem kamar depan, jika mesin dalam keadaan dingin dan suhu kompressi udara belum mampu untuk membakar bahan bakar, maka mesin kaan sulit untuk dihidupkan. Dalam hal ini mesin dapat diatasi dengan cara memasang alat pemijar (glow plug) guna menghidupkan mesin mula mula. Keuntungannya : 1. Pemakaian bahan bakar lebih luas dikarenakan turbelensi sangat baik untuk pengabutan bahan bakar. 2. Perawatan pada pompa injeksi lebih gampang karena tekanan penyemprotan lebih rendah dan tidak terlalu peka terhadap perubahan saat injeksi. 3. Detonasi berkurang dan bekerjanya engine lebih baik sebab menggunakan throttle nozzle. Kerugiannya : 1. Biaya pembuatannya lebih mahal sebab perencanaan kepala silinder lebih rumit. 2. Membutuhkan motor stater yang besar. Kemampuan start lebih jelek, karena itu harus mengunakan alat pemanas. 3. Pemakaian bahan bakar boros. 36

33 Kode Engine : Caterpillar Engine : 3300 Data teknis Diesel Engine Engine series (3300) No modifikasi dengan jumlah silinder 6 (enam) Merk Series Engine : Caterpillar : 970 F : Four stroke, six sylinder 3306 Turbocharger diesel engine (wheel loader) Fly wheel power : 310 kw = 415 HP Rated engine speed: 2100 rpm 2.12 Cara Kerja Dari Turbin Turbocharger Turbocharger Technical Data : Manufactured : MAN-Augsburg Tipe : NR 20/05 MTU item : Max speed : Rpm Feed and intake 37

34 Housing Bearing housing : Uncooled : oil cooled Data teknis Turbin Gas : - Jumlah tingakt : 1 tingkat - Putaran : Rpm - Temperature masuk : 758 k - Tekanan masuk : 162 N/cm² - Jenis : IMPLUS Data teknis Kompresor : - Jumlah tingkat : 1 tingkat - Putaran : Rpm - Temperetur masuk : 300 K - Tekanan masuk : 10,13 N/cm² - Jenis : Sentrifugal Turbocharger adalah peralatan untuk menambah output mesin dengan memasukkan udara ke dalam mesin lebih banyak, yang sesuai dengan bertambahnya bahan bakar dan oleh karenanya tenaga out put mesin dapat bertambah, dengan naiknya tekanan rata-rata tanpa menaikan putaran 38

35 mesin. Turbocharger atau turbokompresor dimana penggeraknya adalah turbin gas yang memanfaatkan energi panas dari gas buang sis hasil pembakaran pada motor diesel. Turbin rotor dan compressor impeller dipasang pada poros yang sma. Gas buang dari exhaust manifold mengalir ke turbin gas, dan tekanan gas buang tersebut memutarkan atau menggerakkan turbin gas. Daya keluaran yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakan kompresor udara lalu menghisap udara luar (udara atmosfir ). Penggunaan full floating bearing agar supaya antara shaft dan housing dapat berputar bebas, dan juga mencegah freeze up selama putaran tinggi. Waste gat valve yang terpasang pada rumah turbin dan di operasikan oleh actuator untuk mengatur tekanan maksimum turbocharging. Bentuk luas permukaan scrool margin memungkinkan volime udara yang mengalir berkurang dengan tujuan boost pressure (tekanan dorong) pada putaran menengah dapat ditingkatkan. Ini memungkinkan pada kecepatan menengah tenaga mesin besar. 39

36 Gambar 2.12 Scrool Margin Surface Area Cara Kerja Turbocharger Gas buang dari exhaust manifold memungkinkan turbin wheel didalam rumah turbin berputar. Bila turbin wheel berputar, impeller wheel (compressor wheel) yang dipasang pada poros yang sama juga akan berputar. Kompresor udara lalu menghisap udara luar (udara atmosfir), kemudian di kompresikan sehingga tekanan dan jumlah udara yang masuk ke dalam ruang bakar motor disel akan meningkat, sehingga akan diharapkan adanya peningkatan daya pada motor diesel. 40

37 Flow diagram dari Turbocharger. Gambar 2.13 Cara kerja dari Turbocharger Bila putaran mesin naik, volume gas buang yang masuk ke rumah turbin akan bertambah dan putaran turbin wheel akan naik ( sekitar Rpm ), akibatnya tekanan pembakaran rata-rata akan naik, selanjutnya menaikkan tenaga output mesin. Akan tetapi, jika dalam keadaan ini tekanan dorong terus menarik, tenaga pembakaran rata-rata akan naik, selanjutnya menaikkan tenaga output mesin. Akan tetapi, jika dalam keadaan ini tekanan dorong terus menaik, tenaga pembakaran akan menjadi lebih 41

38 besar dan akan mengakibatkan mesin rusak. Oleh karena itu waste gate valve yang terdapat di dalam rumah turbin untuk mempertahankan tekanan dorong ada di bawah tekanan kerja pegas actuator. Bila tekanan dorong (boost pressure) atau Turbocharging pressure didalam intake maniofold ada dibawah tekanan kerja pegas actuatuor, actuator tidak bekerja dan waste gate valve tertutup, akibatnya seluruh gas buang akan melewati turbin wheel. Tekanan udara turbocharger 1,6 atm.abs = 1,6 x 1,033 = 1,6528 kg/cm² = 16,21 Ncm² Gambar 2.13a Tekanan dibawah standar 42

39 Bila kecepatan mesin bertambah (sehingga volume injeksi bahan bakar bertambah) dan tekanan gas buang bertambah, dengan demikian tekanan dorong mencapai tekanan kerja dari pegas actuator yang ditentukan sehingga actuator membuka waste gate valve. Hal ini mengakibatkan sebagian gas buang mengalir langsung ke exhaust pipe tanpa melalui turbin wheel, sehingga tekanan dorong dipertahankan pada batas yang ditentukan. Gambar 2.13b Tekanan diatas standar 43