Pengertian Turbocharger Turbocharger merupakan sebuah peralatan, untuk menambah jumlah udara yang masuk kedalam slinder dengan memanfaatkan energi gas buang. Turbocharger merupakan perlatan untuk mengubah sistem pemasukan secara alami dengan sistem paksa. Kalau sebelumnya pemasukan udara mengandalkan kevakuman yang dibentuk karena gesekan piston pada langkah isap, maka dengan turbocharger udara ditekan masuk kedalam silinder menggunakan kompresor yang diputar oleh turbin gas buang. Untuk menghasilkan pembakaran yang sempurna, maka diperlukan tambahan udara yang dialirkan kedalam ruang selinder mesin pada sejumlah aliran bahan bakar tertentu. Bila kepekatan udara bertambah sebelum ditambahkan kedalam silinder, seluruh bahan bakar terbakar dan daya mesin bertambah. Untuk itu mesin diesel yang dilengkapi dengan turbocharger bertujuan untuk memadatkan udara masuk kedalam silinder mesin. Sehingga daya mesin lebih besar dibanding mesin dengan dimensi yang sama. Turbocharger adalah sebuah kompresor yang digunakan dalam motor pembakaran dalam untuk meningkatkan keluaran tenaga mesin dengan meningkatkan massa oksigen yang memasuki motor. Kunci keuntungan dari turbocharger adalah sebuah peningkatan tenaga mesin hanya dengan sedikit menambah berat (http://id.wikipedia.org/wiki/turbocharger) Cara Kerja Turbo Turbo atau juga biasa dikenal dengan turbocharger adalah sebuah komponen tambahan motor bakar yang berfungsi untuk menambah jumlah udara yang masuk ke dalam ruang bakar, dengan memanfaatkan energi panas yang terkandung di dalam gas buang mesin. Gas buang yang masih mengandung energi panas dilewatkan ke sebuah turbin untuk mengubah energi panas tersebut menjadi energi mekanis putaran poros. Sebuah kompresor yang berada satu poros dengan turbin, memanfaatkan energi mekanik tadi untuk men-supply lebih banyak udara ke dalam ruang bakar. Jika pada satu siklus motor bakar udara yang dimasukkan ke dalam ruang bakar lebih banyak kuantitasnya, maka dimungkinkan juga dalam satu siklus tersebut, bahan bakar yang dimasukan ke dalam ruang bakar juga menjadi lebih banyak. 1
Pada kondisi normal motor bakar torak, udara masuk ke dalam ruang bakar adalah akibat dari gerakan hisap dari torak. Gerakan hisap torak akan menciptakan tekanan negatif di dalam ruang bakar, yang jika diikuti dengan terbukanya katup manifold, maka udara dalam jumlah tertentu akan masuk ke dalam ruang bakar karena tekanan udara masuk (atmosfer) lebih besar daripada tekanan di dalam ruang bakar. Dan karena putaran siklus motor bakar bekerja dengan sangat cepat, maka udara yang masuk ke ruang bakar pada saat siklus hisap berjumlah relatif sedikit. Jumlah udara yang relatif sedikit ini akan diikuti pula dengan sedikitnya jumlah bahan bakar yang masuk sesuai dengan setting sistem pencampuran bahan bakar di ruang bakar (karburator maupun injeksi). Dengan kondisi ini, daya mesin yang dihasilkanpun relatif rendah pula. Penggunaan turbocharger akan meningkatkan daya keluaran motor bakar. Karena kompresor dari turbo akan meningkatkan tekanan dan kuantitas udara yang masuk ke ruang bakar pada saat siklus hisap. Secara otomatis, kuantitas campuran udara dan bahan bakar yang masuk ke dalam ruang bakar pada satu siklus motor akan lebih banyak. Kuantitas campuran bahan bakar dan udara yang lebih banyak inilah yang menghasilkan daya total siklus menjadi lebih besar daripada mesin konvensional yang tidak menggunakan turbo. 2
Pembangkitan daya yang relatif lebih besar ini, memungkinkan para produsen kendaraan bermotor untuk mendesain mesin dengan kapasitas ruang bakar kecil, namun menghasilkan daya total yang sama dengan mesin berkapasitas besar. Turbocharge tersusun atas berbagai komponen. Komponen-komponen tersebut termasuk turbin, kompresor, shaft, dan casing sebagai komponen utamanya. Penggunaan turbo juga didukung oleh berbagai komponen pendukung seperti pendingin udara, sistem ECU (Electric Control Unit), distribusi oli pelumas, dan lain sebagainya. Pada artikel selanjutnya kita akan membahas berbagai komponen penyusun sistem turbocharge. Komponen-Komponen Turbocharger Kalau kebutuhan udara masuk pasti berhubungan dengan air/fuel ratio angkanya standard (kisaran 14:1). Kalau sebuah motor bakar pakai turbo, semua gas buang akan dilewatkan ke turbin, sehingga jumlah udara masuk lebih banyak diikuti dengan jumlah bahan bakar juga. Sebenarnya prinsip kerja turbo cukup sederhana, yakni mengkonversikan energi panas dan tekanan gas buang hasil pembakaran motor bakar menjadi energi mekanis putaran poros untuk digunakan lebih lanjut mengkompresi udara yang akan masuk ke ruang bakar melalui intake manifold. 3
Berdasarkan prinsip kerja tersebut, turbocharger tersusun atas beberapa komponen utama yakni turbin, kompresor, dan sistem shaft. Namun selain itu, sebuah sistem turbocharger juga dilengkapi dengan berbagai komponen pendukung yang akan kita bahas secara sederhana pada kesempatan kali ini. Turbin Turbin adalah sebuah komponen mekanik yang berfungsi untuk mengkonversikan energi panas fluida yang melewatinya menjadi energi mekanis putaran poros turbin. Setiap turbin selalu melibatkan fluida yang mengandung energi panas yang mengalir melewati sudu-sudu turbin. Setiap sudu turbin berdesain membentuk nozzle-nozzle sehingga disaat fluida melewatinya, fluida akan terekspansi diikuti dengan perubahan energi panas menjadi mekanis. Turbin Pada Turbocharger Fluida yang dikonversikan energi panasnya menjadi tenaga putaran poros pada sistem turbocharger tentu saja adalah udara gas buang dari hasil pembakaran motor bakar. Gas buang ini masih menyimpan cadangan energi berbentuk panas dan tekanan yang masih cukup bermanfaat. 4
Aliran Fluida Pada Turbocharger Turbin pada turbocharger tersusun atas rotor dan casing. Turbin ini biasa bertipe sentrifugal dengan casing berbentuk volute mirip seperti casing pompa sentrifugal. Gas buang masuk melalui sisi casing, mengalir mengikuti bentuk "keong" dan masuk ke sudu melalui tepi rotor. Selanjutnya gas buang mengalir mengikuti bentuk sudu turbin sekaligus mengalami proses penyerapan energi panas dan tekanan menjadi putaran sudu, dan berakhir ke sisi tengah rotor untuk keluar ke sisi exhaust. Kompresor Kompresor pada turbocharger, berfungsi untuk mengubah energi mekanis putaran poros turbocharger menjadi energi kinetik aliran udara. Kompresor berada pada satu poros dengan turbin, sehingga pada saat gas buang mesin mulai memutar turbin, kompresor juga akan ikut berputar dengan kecepatan putaran yang sama. Energi mekanis yang dihasilkan turbin akan langsung digunakan sebagai tenaga penggerak kompresor. Kompresor Pada Turbocharger 5
Kompresor turbocharger bertipe sentrifugal dan tersusun atas dua bagian utama yakni sudu-sudu rotor dan casing. Pada saat impeller rotor kompresor mulai berputar dengan kecepatan tinggi, udara atmosfer akan mulai terhisap dan masuk ke kompresor melalui sisi inlet. Udara ini akan diakselerasi oleh impeller secara radial menjauhi poros kompresor. Pada saat udara terakselerasi hingga ke casingkompresor yang juga berfungsi sebagai diffuser, kecepatan aliran udara akan turun dan tekanan statiknya akan meningkat. Peningkatan tekanan udara ini akan diikuti dengan kenaikan temperatur juga. Selanjutnya, udara terkompresi ini dikeluarkan untuk menuju ke intercooler. Center Housing & Rotating Assembly (CHRA) Masing-masing turbin dan kompresor pada turbocharger tersusun atas bagian rotor dan rumah casing. Keduanya berada pada satu poros yang ditopang oleh sebuah sistem bearing (bantalan) di tengah-tengah antara turbin dan kompresor. Untuk kebutuhan assembly, casing turbin dan kompresor disatukan oleh sebuah sistem bernama Center Housing & Rotating Assembly (CHRA). Karena sistem bearing juga terletak pada CHRA, maka sistem lubrikasi turbocharge juga berpusat pada CHRA. Sistem Center Housing & Rotating Assembly 6
Putaran poros turbocharger dapat mencapai 100.000 rpm. Dengan putaran secepat itu, dibutuhkan bearing dengan kualitas baik. Thrust bearing tradisional dari turbocharge biasanya terbuat dari perunggu. Pada perkembangan selanjutnya bearing modern turbocharger adalah berupa ball bearing dengan bahan keramik. Penggunaan ball bearinglebih banyak dipilih karena lifetime turbocharger menjadi lebih baik. Sistem Pelumasan dan Pendinginan Turbocharger CHRA juga menjadi tempat sirkulasi sistem pelumasan oli dan pendinginan. Turbocharge bekerja pada temperatur yang sangat tinggi. Turbin menggunakan gas buang motor bakar yang bertemperatur tinggi, kompresor akan menghasilkan udara terkompresi yang juga bertemperatur tinggi. Maka untuk menunjang keawetan bearing maka dibutuhkan sistem pelumasan dan pendingan yang baik. 7
Intercooler Udara yang mengalami kenaikan tekanan di dalam sebuah ruangan dengan volume konstan, akan diikuti pula dengan kenaikan temperaturnya. Dalam termodinamika, proses ini disebut dengan proses isokhorik atau isovolumetrik. Setiap kompresor pasti diikuti dengan proses isokhorik ini, tak terkecuali kompresor pada turbocharger. Hal ini ditandai dengan naiknya temperatur udara terkompresi yang keluar dari kompresor turbocharger. Atas dasar inilah dibutuhkan sebuah sistem pendingin udara bernama intercooler sebelum udara bertekanan tersebut masuk ke intake manifold. Turbocharger Intercooler Intercooler merupakan sebuah heat exchanger yang umumnya menggunakan udara atmosfer sebagai media cooler. Udara terkompresi masuk ke sisi tubing kecil yang tersusun atas plat-plat tipis aluminium mirip konstruksi radiator. Udara atmosfer mengalir dengan bantuan kipas melewati selasela tubing dan menyerap panas udara terkompresi melalui permukaan tubing. 8
Wastegates Sebuah mesin kendaraan bermotor selalu bekerja pada rentang rpm putaran mesin yang bervariasi. Berbagai variasi rpm tersebut tentu saja menghasilkan jumlah gas buang yang bervariasi pula. Semakin tinggi putaran mesin, akan semakin banyak kuantitas gas buang dan temperatur gas buang pun juga semakin tinggi. Jika semua gas buang mesin masuk ke turbin turbocharger, dapat kita bayangkan putaran turbocharger pasti menjadi tidak terkontrol. Pada kondisi ini jika mesin kendaraan terlalu lama pada putaran tinggi, maka hal ini dapat menyebabkan overheating pada turbin dan kompresor bahkan hingga mencapai titik lebur komponenkomponen turbocharger. Bahkan pada keadaan ekstrim, kondisi ini dapat langsung merusak piston motor bakar dengan meninggalkan lubang meleleh pada piston tersebut. Wastegates Pada Turbocharger Wastegates digunakan untuk mengatasi kondisi di atas. Komponen ini berfungsi sebagai bypass valve untuk membuang gas buang motor bakar pada kondisi tertentu untuk tidak masuk ke dalam turbin turbocharger melainkan langsung menuju exhaust. Pada kondisi mesin stabil, wastegates akan menutup. Sedangkan pada saat proses akselerasi, dimana tekanan gas buang meningkat, wastegates akan membuka sehingga putaran turbin turbocharger tidak mengalami sentakan yang berlebihan. Wastegates bekerja berdasarkan pegas-pegas keong yang dapat diatur ketegangannya, sehingga mekanik dapat mengatur ketegangannya untuk mendapatkan kinerja terbaik dari turbocharger. 9
Blow-Off Valve Blow-off valve sejatinya adalah pressure relief valve yang berfungsi untuk membuang udara terkompresi ke atmosfer pada saat tekanan udara keluar kompresor turbocharger terlalu besar. Pada saat sopir sebuah mobil berturbocharger mengurangi tekanan pedal akselerasi, katup intake manifold akan menutup sehingga udara bertekanan dari turbocharger tidak dapat masuk ke ruang bakar. Jika turbocharger tidak dilengkapi dengan blow-off valve, maka tekanan udara terkompresi akan terus naik, dimungkinkan akan bocor keluar, merusak bagian-bagian intake manifold, atau bahkan dapat menyebabkan surging/stall pada turbocharger. Tentu saja hal ini dapat merusak berbagai komponen mesin. Blow-Off Valve Blow-off valve memiliki konstruksi yang mirip dengan wastegates. Pada saat mesin berakselerasi maupun beroperasi stasioner, katup ini akan menutup. Ia akan membuka pada saat mesin mengurangi kecepatan putarannya, sehingga tekanan udara yang berlebih cukup kuat untuk mendorong pegas blow-off valve ini. 10
Saluran Pipa Penggunaan turbocharger tidak dapat dipisahkan dengan saluran pipa yang menghubungkan berbagai komponen mesin. Saluran pipa turbocharger dapat dikelompokan menjadi dua bagian, yakni saluran panas dan saluran dingin. Pipa saluran panas mengalirkan gas buang dari ruang bakar ke sisi inlet turbin turbocharger, serta membuang gas buang keluaran turbin menuju sistem exhaust (knalpot). Sedangkan pipa saluran dingin mengalirkan udara atmosfer masuk ke kompresor, udara bertekanan dari outlet kompresor ke intercooler, serta mengalirkan udara dingin bertekanan dari intercooler ke intake manifold motor bakar. Dikarenakan perbedaan tipe fluida yang melewati kedua saluran tersebut, tentu saja karakteristik material yang digunakan oleh keduanya juga berbeda. Sisi gas buang harus menggunakan material yang tahan terhadap temperatur, tekanan tinggi, backpressure, dan tegangan (stress). Sedangkan sisi udara terkompresi diguanakan material yang kuat untuk tekanan tinggi. Saluran Pipa Turbocharger Referensi: Basic Turbocharging Components & Theory What are the components of a turbocharger? Turbocharger Compressor Flow Maps 11