BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2. 1. Motor Bakar Diesel
Motor bakar diesel adalah motor bakar yang berbeda dengan motor bensin, proses penyalaanya bukan dengan nyala api listrik melainkan penyalaan bahan bakar berlangsung secara spontan akibat temperatur dan tekanan ruang bakarnya yang cukup tinggi.
Pada langkah isap hanya udara segar saja yang masuk ke dalam silinder pada waktu piston hampir mencapai “Titik mati atas” (TMA) bahan bakar disemprotkan ke dalam ruang bakar. Karena temperatur dan tekanan ruang bakar pada saat itu sangat tinggi, maka bahan bakar akan terbakar dengan sendiri.
Persyaratan ini dapat dipenuhi apabila digunakan perbandingan kompresi yang cukup tinggi, berkisar antara 12 sampai 25. Perbandingan kompresi yang rendah pada umumnya digunakan pada motor diesel berukuran besar dan putaran rendah. Perbandingan kompresi yang tinggi banyak dipakai pada motor diesel berputaran tinggi dan berukuran kecil. Perancang cenderung mempergunakan perbandingan kompresi yang serendah-rendahnya bedasarkan pertimbangan kekuatan material serta berat mesinya. Oleh karena itu, pada umumnya motor diesel bekerja dengan perbandingan kompresi antara 14-17 (lit.1, hal. 189).
Daya yang dihasilkan motor diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar didalam ruang bakar. Semakin banyak bahan bakar yang dapat dibakar, makin besar daya yang dapat dihasilkan. Hal ini dapat terjadi bila tersedia udara secukupnya, biasanya dengan faktor kelebihan udara (excess air) yang lebih besar.
Itu berarti bawah daya mesin dibatasi oleh kemampuaan mesin tersebut mengisap udara yang diperlukan untuk pembakaran.
Namum demikian pada mesin empat langkah terdapat himpitan katup (valve overlap) yaitu waktu selama kedua katup isap dan buang ada dalam keadaan sama-sama terbuka, sehingga sebahagian dari udara segar jaga keluar dari dalam silinder. Hal ini merupakan kerugian yang tak dapat dihindari. Jadi, udara yang dimasukkan ke dalam silinder tidak semuanya dipergunakan untuk pembakaran.
Jika sebuah mesin empat langkah dapat menghisap udara pada kondisi isapannya sebanyak volume langkah toraknya untuk setiap langkah isap, maka hal ini merupakan sesuatu yang ideal. Namun, hal tersebut tidak terjadi dalam keadaan sebenarnya (aktual). Perbandingan antara jumlah udara terisap terhadap jumlah udara yang terisap dalam satu langkah torak (keadaan ideal), dinamakan
“efisiensi volumetrik” ηv, yang didefinisikan dalam persamaan dibawah ini:
ηv =
T) (p, rak langkah to olume
sebanyak v segar
udara Berat
T) (p, sap segar teri udara
Berat
Besarnya efisiensi volumetrik tergantung pada kondisi isap (p,T) yang ditetapkan. Misalnya, jika dipakai saringan udara pada saluran masuk ηv dengan manetapkan (p,T) sebelum saringan. Akan tetapi dalam pengujian prestasi mesin biasanya tidak dipergunakan saringan udara sehingga kekeliruan tersebut dapat dihindari. Oleh karena itu maka kondisi (p,T) ditetapkan sebagai kondisi udara atmosfer.
Efisiensi volumetrik merupakan fungsi dari kecepatan udara yang terisap, dimana ηv maksimum terjadi pada suatu putaran poros tertentu. Demikian juga ηv
merupakan fungsi dari faktor kelebihan udara, yaitu bahwa ηv turun dengan turunnya kecepatan udara.
2. 2. Turbocarjer
2. 2. 1. Pengertian Turbocarjer
Turbocarjer merupakan mekanisme untuk mensuplai udara dengan kerapatan yang melebihi kerapatan udara atmosfer (1,225 kg/m3) ke dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompresi, sehingga daya motor akan meningkat. Turbocarjer pemakaiannya sangat efisien dimana energi yang digunakan untuk menggerakkan kompressor untuk menghisap udara masuk ruang bakar adalah berasal dari energi gas buang yang digunakan untuk menggerakkan turbin.
Salah satu tujuan turbocajer adalah untuk meningkatkan kerapatan udara yang akan dimasukkan ke dalam silinder mesin, dengan meningkatnya kerapatan udara sehingga akan lebih banyak bahan bakar yang terbakar, yang menyebabkan meningkatnya daya keluaran dari mesin yang diberikan volume langkah dari silinder. Karena banyak bahan bakar yang digunakan untuk mencapai peningkatan daya maka efisiensi siklus mesin tidak berubah.
Adapun skema instalasi sederhana turbocarjer adalah sebagai berikut :
Gambar 2.1 Skema sederhana instalasi turbocarjer
2. 2. 2. Manfaat Pemakaian Turbocarjer
Adapun manfaat utama pemakaian turbocarjer pada motor diesel adalah sebagai berikut :
a. Memperbesar daya motor
b. Dengan turbocarjer dapat bekerja lebih efisien, karena pemakaian bahan bakar spesifiknya lebih rendah.
c. Dengan memakai turbocarjer maka proses pembakaran udara dan bahan bakar akan berjalan dengan sempurna sehingga emisi gas buang juga dapat dikurangi.
d. Mesin menjadi lebih kompak lagi pula ringan, maksudnya dengan memakai turbocarjer maka dapat mengurangi bebannya mesin itu sendiri.
Pada mesin penyalaan bunga api (spark ignition engine) yang memakai turbocarjer, pemakaian bahan bakar spesifik biasanya menjadi lebih besar. Hal ini disebabkan, terutama karena perbandingan kompresinya harus diperkecil untuk mencegah detonasi, juga karena banyaknya bahan bakar keluar dari dalam silinder sebelum digunakan.
Pemakaian turbocarjer pada mesin penyalaan bunga api ini haruslah mencakup unsur kompromi antara efisiensi dan kebutuhan, misalnya pada mesin pesawat dan mobil balap. Pada mesin pesawat terbang, turbocarjer digunakan untuk memperoleh daya yang sebesar-besarnya pada waktu tinggal landas dan untuk mengatasi kekurangan kerapatan udara pada ketinggian yang lebih tinggi.
Persoalan denotasi dapat diatasi dengan menggunakan bahan bakar dengan mempunyai nilai oktan yang lebih tinggi. Pada mobil balap yang lebih mementingkan daya daripada efisiensi, banyak memakai turbocarjer.
Pada motor diesel dengan turbocarjer dapat bekerja dengan efisien, pemakaian bahan bakar spesifik lebih rendah, khusunya pada unit lebih murah harganya. Keuntungan lain yang diperoleh dari motor diesel dengan turbocarjer adalah untuk mempersingkat periode persiapan pembakaran sehingga karakteristik pembakaran menjadi lebih baik. Disamping itu terbuka kemungkinan untuk menggunakan bahan bakar dengan bilangan sentana yang lebih rendah. Karena turbocarjer dapat memasukkan udara lebih banyak, dapat diharapkan pembakaran menjadi lebih baik dan gas buangnya lebih bersih.
2. 2. 3. Klasifikasi Turbocarjer
Biasanya metode pengoperasian turbocarjer yang dipergunakan untuk memanfaatkan energi yang berguna pada gas buang ada tiga metode yaitu :
a. Turbocarjer sistem pulsa (pulse system).
b. Turbocarjer sistem tekanan konstan (constant pressure system).
c. Turbocarjer sistem konverter-pulsa (pulse-converter system).
2. 2. 3. 1. Turbocarjer sistem pulsa (pulse system).
Turbocarjer sistem pulsa adalah bertujuan untuk mengurangi energi kinetik di dalam proses pembuangan gas buang (Blow down) untuk menggerakkan turbin turbocarjer, secara idealnya tidak ada terjadi peningkatan tekanan gas buang. Untuk mencapai tujuan tersebut saluran gas buang yang segaris haruslah lebih kecil.
Gambar 2.2. Turbocarjer sistem pulsa (pulse system).
Keuntungan memakai turbocarjer dengan sistem pulsa ini adalah : a. Sebagian besar energi gas buang dapat digunakan langsung.
b. Menghasilkan percepatan putaran mesin yang responsif d. Turbocarjer sistem tekanan konstan (constant pressure system).
e. Turbocarjer sistem konverter-pulsa (pulse-converter system).
2. 2. 3. 2. Turbocarjer Sistem Tekanan Konstan
Pada sistem tekanan konstan ini adalah bertujuan untuk menjaga atau memelihara agar tekanan gas buang pada motor bakar dalam keadaan konstan dan tekanan yang dihasilkan lebih besar dari tekanan atmosfer sehingga turbin turbocarjer dapat beroperasi secara maksimum. Tujuan pembuangan gas buang yang besar dan lebar adalah untuk menyerap tekanan yang tidak konstan dan oleh energi kinetik didalam saluran gas buang harus dihilangkan .
Gambar 2.2 Turbocarjer sistim tekanan konstan Keuntungan memakai turbocarjer pada metode sistem tekan adalah :
a. Sangat efisien dan konsumsi bahan bakar yang ekonomis pada perbandingan tekanan kompresor .
b. Efisiensi turbin tinggi selama aliran tetap ( steady flow).
Kerugian memakai turbocarjer pada metode tekanan konstan adalah:
a. Tidak semua gas buang dimamfaatkan untuk menggerakkan turbin.
b. Membutuhkan Saluran gas buang yang besar.
c. Asselerasi turbocarjar yang rendah.
d. Performasi yang rendah pada putaran rendah dan berbeban.
2. 2. 3. 3. Tubocarjer sistem Konventer- fulsa (pulse-konventer system) Pada turbocarjer konventer-fulsa ini bertujuan mengubah energi kinetik di dalam proses pembuangan menjadi peningkatan tekanan pada tubin dengan membuat satu atau lebih diffuser.
Gambar 2.4 Turbocarjar sitem Konventer-pulsa (pulse- konventer system)
Keuntungan memakai turbocarjar sistem konventer-pulsa ini adalah performasi mesin yang tinggi, sedangkan kerugianya adalah performansi yang rendah pada putaran yang rendah dan tinggi dan hanya untuk mesin dengan jumlah silinder tertentu (empat, delapan, dan enan belas).
2. 2. 4. Bagian- bagian Utama Turbocajer
Bagian utama turbocarjer terdiri dari sebuah turbin gas dan sebuah konpresor. Gambar 2.5 ini merupakan gambar dari assembling turbocarjer yang telah dilepas bagian-bagiannya.
Gambar 2.5 bagian bagian assembling tubocarjer
Keterangan gambar :
1. Clamp 18. Exhaust Stud
2. Hose (waste gate pressure bleed) 19. Waste gate housing
3. Fitting 20. Bearing housing
4. Clip (waste gate lever) 21. Nut (Turbine Shaft)
5. Rod (waste gate) 22. Compressor
6. Adjusting nut 23. Turbine shaft
7. Nut 24. Piston ring seal
8. Control Diaphragm (waste gate) 25. Heat shield
9. Bolt 26. Bolt
10. Bracket (waste gate control diaphragm) 27. Compressor housing backing
11. Locking plate (compressor housing) 28. O-ring
12. Compressor housing 29. Piston ring seal
13. O-ring 30. Thrust Collar
14. Bolt 31. Thrust bearing
15. Locking plate (turbine housing) 32. Snap ring 16. Clamp plate (turbine housing) 33. Journal bearing 17. Turbine housing 34. Oil drain gasket
2. 2. 4. 1. Turbin
Turbin turbocarjer digerakkan oleh energi berguna yang dikandung oleh gas buang. Aliran gas buang dari hasil pembakaran bahan bakar dari dalam ruang bakar mengerakkan sudu-sudu turbin, diserap energinya dan diubah menjadi bentuk energi mekanis ini merupakan daya poros pada turbin yang digunakan untuk menggerakkan kompresor.
Berdasarkan aliran fluida, ada dua tipe turbin yang digunakan pada turbocarjer, yaitu aliran radial aliran masuk dan turbin gas aliran aksial. Turbin aliran radial aliran masuk banyak dipakai pada ukuran kecil, di dalam bidang transportasi pada motor bensin dan diesel yang menggunakan turbocarjer, di bidang penerbangan digunakan pada unit helikopter yang berguna pada start awal.
Keuntungan utama turbin gas radial aliran masuk adalah kerja yang dihasilkan oleh sebuah tingkat tunggal turbin adalah sama dengan dua atau lebih dalam turbin gas aksial, hal ini disebabkan turbin gas radial aliran masuk mempunyai putaran yang lebih tinggi dibandingkan dengan turbin aksial, karena daya yang
dihasilkan adalah sebuah fungsi kuadrat dari putaran (P~u2) sehingga kerja lebih besar dibanding turbin aksial tingkat tunggal.
Turbin gas radial aliran masuk mempunyai keuntungan lainnya harga/biayanya lebih rendah dibandingkan turbin gas aksial, hal tersebutlah yang menjadi dasar pemilihan utama turbin gas radial aliran masuk untuk turbocarjer motor diesel.
Ada dua jenis turbin gas radial aliran masuk menurut konstruksi sudu, yaitu : a. Turbin gas radial aliran masuk kantilever (cantilever radial inflow turbine) b. Turbin gas radial aliran masuk campur (mixed flow radial inflow turbine)
Turbin gas radial aliran masuk kantilever tidak menggunakan sudut aliran masuk secara radial, pada jenis turbin kantilever ini tidak terjadi percepatan melalui motor. Jenis kantilever jarang digunakan karena efisiensinya rendah dan juga proses pembuatannya yang sulit.
Gambar 2.6 Turbin gas radial aliran masuk kantilever
Berikut ini adalah konstruksi dan segitiga kecepatan turbin gas radial aliran masuk kantilever
Gambar 2.7 Diagram segitiga kecepatan turbin radial aliran masuk kantilever
Gambar 2.8 Turbin gas radial aliran masuk campur
Sedangkan untuk konstruksi dan segitiga kecepatan yang dibentuk oleh turbin gas radial aliran masuk campur dapat dilihat pada gambar berikut ini
Gambar 2.9 Diagram segitiga kecepatan turbin gas radial aliran masuk campur
2. 2. 4. 2. Kompresor
Kompresor pada turbocarjer berfungsi untuk memampatkan udara dari udara atmosfir, sehingga udara yang dihasilkan merupakan udara yang bertekanan. Tekanan udara yang dihasilkan sesuai dengan kemampuan kompresor itu sendiri. Kompresor dapat diklasifikasikan atas dua tipe, yaitu dynamic dan positive displacement.
a. Kompresor Positif (positive displacement)
Kompresor ini tersedia dengan dua jenis reciprocating dan putar / rotary 1. Kompresor Reciprocating
Kompresor reciprocating adalah kompresor yang menghasilkan udara bertekanan akibat adanya gerak naik turun piston dalam silinder.
Kompresor reciprocating tersedia dalam barbagai konfigurasi, terdapat 4 jenis yang paling banyak digunakan yaitu horizontal, vertikal dan horizontal berlawanan (balance-Opposed).
Gambar 2.10 Kompresor tipe V
2. Kompresor Putar (rotary)
Kompresor beroperasi pada kecepatan tinggi dan umumnya menghasilkan hasil keluaran yang lebih tinggi dibandingkan kompresor reciprocating.
Biaya investasinya rendah, bentuknya kompak, ringan dan mudah perawatannya, sehingga kompresor ini sangat populer di industri.
Biasanya digunakan dengan ukuran 30-200 hp atau 22-150 kW.
Gambar 2.11 Kompresor Rotary Kompresor Rotary terdiri dari :
a. Roots Compresor
b. Rotary sliding vane compresor c. Twin-screw rotary screw compresor d. single-screw rotary screw compresor b. Kompresor Dinamis (dynamic compressor)
1. Kompresor Aksial
Kompresor aksial terdiri dari barisan tingkat. Masing-masing tingkat terdiri dari barisan sudu-sudu roda jalan diikuti oleh barisan sudu-sudu stator.
Fluida kerja mula-mula dipercepat oleh sudu-sudu roda jalan dan kemudian diperlambat dalam laluan sudu stator yang di dalamnya energi kinetik yang dipindahkan dalam roda jalan dikonversikan menjadi tekanan statik. Proses ini berulang dalam tingkat berikutnya. Jumlah tingkat yang diperlukan tergantung pada perbandingan tekanan keseluruhan yang diinginkan.
Gambar 2.12 Kompresor aksial
2. Kompresor Sentrifugal
Udara yang terlempar masuk ke dalam pusat impeller, akan ditingkatkan kecepatannya, lalu udara akan terlempar pada ujung luar (outer edge) karena adanya gaya sentrifugal yang terjadi pada impeller. Udara yang meninggalkan impeller dengan peningkatan tekanan dan kecepatan yang tinggi udara akan memasuki diffuser, pada diffuser akan terjadi perubahan
energi yaitu energi kinetik udara yang mengalir melalui impeller menjadi energi tekanan.
Gambar 2.13 Kompresor Sentrifugal
2. 3. Siklus Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer
Perencanaan yang bagus dari mesin diesel dengan menggunakan turbucarger bergantung pada pemilihan sistem untuk mengirim gas buang dari katup buang ke turbin pada turbocajer. Idealnya semua energi yang maninggalkan silinder dikirimkan ke turbin, tetapi dalam keadaan aktualnya atau sebenarnya ada beberapa yang hilang, dikarenakan adanya perpindahan panas disekitarnya, tetapi tidak mencapai 5 %.
Siklus ideal termodinamis dari mesin diesel dapat ditunjukan pada gambar 2.14 yang menunjukkan energi yang terkandung dan berguna dalam sistem pembuangan. Katup buang akan terbuka pada titik mati bawah pada titik 5 dimana tekanan silinder lebih besar dari pada tekanan atmosfer (1,225 kg/m3), yaitu pada pipa pembuangan. Jika katup buang terbuka maka secara isentropik
dan reversibel akan menunjukkan pada tekanan atmosfer di titik 6, dimana daerah kerja dapat digambarkan pada daerah 5-6-1. Daerah kerja yang digambarkan pada titik 5-6-1, dimana pada daerah tersebutlah untuk memamfatkan gas buang ditempatkan turbocarjer dan daerah terjadinya blow down energi.
Gambar 2.14 Siklus ideal tekanan terbatas pada mesin diesel
Pada gambar 2.15 menunjukkan bawah turbocarjer meningkatkan tekanan pada saluran masuk, dari sini proses masuk (12-1) pada tekanan P1 dimana P1
berada diatas tekanan atmosfer. Pa Blow-down energy ditunjukkan pada daerah 5- 8-9, saluran gas buang pada tekanan P7 juga berada diatas tekanan atmosfer Pa. Proses gas buang yang berasal dari silinder ditunjukkan pada titik 5,13,11 dimana pada titik 5,13 adalah periode terjadi blow-down energi ketika katup buang terbuka dan tekanan gas yang tinggi diekspansikan keluar pada saluran gas buang.
Proses 13,11 menunjukkan proses pembuangan gas sisa yang pindah ketika piston bergerak dari titik mati atas ke titik mati bawah yang menggerakkan sebagian besar gas buang dari silinder ke saluran pembuangan. Gas tersebut juga berada diatas tekanan atmosfer dan oleh karena itu juga mempunyai energi yang
berguna untuk diekspansikan menjadi tekanan atmosfer. Daerah kerjanya dapat ditampilkan pada daerah 13-9-10-11. Energi maksimum yang mampu menggerakkan turbin ditunjukkan pada daerah 13-9-10-11, untuk memperoleh energi tersebut maka tekanan masuk turbin seketika itu juga harus meningkat pada titik tekanan P5 ketika katup buang terbuka, yang diikuti ekspansi isentropik dari gas buang melalui P7 sampai ke tekanan atmosfer (P8 = Pa). Selama proses pergerakan pembuangan tekanan masuk turbin yaitu pada P7. Energi yang berguna pada turbin ditunjukkan pada daerah 7-8-10-11.
Gambar 2.15 Siklus ideal tekanan terbatas dengan menggunakan turbocarjer
Pada penjelasan gambar 2.15 diatas siklus ideal tekanan terbatas motor bakar diesel dengan menggunakan turbocarjer tekanan konstan, sangat berbeda dengan yang digunakan pada turbocarjer sitem pulsa, yaitu perbedaannya terdapat pada penambahan penggunaan energi yang digunakan pada daerah 5-7-13. Tekanan masuk turbin yang diperlukan yaitu mencapai tekanan P5 ketika katup buang terbuka pertama kalinya kemudian menuju sepanjang Titik 5,6,7.
Turbin juga mempunyai daerah aliran efektif yang kecil, ketika katup buang telah terbuka, gas buang mengalir dari silinder ke saluran gas buang dikarenakan saluran gas buang kecil maka tekanan pun akan turun. Laju aliran massa tersebut akan meningkat ketika katup terbuka. Dan laju aliran massa gas buang tersebut akan menuju turbin sehingga energi yang berguna dimanfaatkan untuk memutar turbin. Dimana dalam hal ini energi gas buang yang dimanfaatkan pada sistem pulsa lebih besar daripada sistem tekanan konstan.
2. 4. Perbandingan siklus termodinamika motor diesel dengan turbocarjer dan tanpa turbocarjer.
Pada gambar 2.16 berikut ini menunjukkan siklus tekanan terbatas dari mesin diesel tanpa dan dengan turbocarjer. Karena tekanan masuk dari gas buang berada diatas tekanan atmosfer, dan lebih banyak bahan bakar yang dapat dibakar, tekanan dalam silinder melalui siklus tersebut dan terutama selama pembakaran, menjadi lebih tinggi untuk siklus yang memakai turbocarjer.
Gambar 2.16 Perbandingan mesin diesel dengan dan tanpa turbocarjer pada siklus tekanan terbatas dengan rasio kompresi sama.
2. 5. Batasan Turbocarjer pada Motor Diesel
Batasan tingkat turbocarjer pada motor diesel adalah beban panas yang dapat dipikul oleh mesin. Dan apabila tekanan dalam silinder terlampau tinggi maka beban bantalan semakin bertambah.
Adapun kaitannya dengan beban panas, pertimbangan lainnya dalam membatasi tingkat turbocarjer ke dalam motor diesel adalah :
1. Daya tahan (durability) 2. Jaminan mutu (reliability)
3. Ekonomisasi komsumsi bahan bakar (fuel economy)
Kenaikan tekanan dari tekanan maksimum ijin pada silinder dapat mengurangi jaminan mutu mesin. Hal ini dapat juga mengakibatkan rentang panas terlampaui, karena itu rentang panas yang dapat dipikul oleh mesin akan
bertambah. Tekanan masuk yang melebihi 2,5 atmosfer adalah sangat besar sehingga untuk mengatasi beban yang terjadi, pendinginan harus direncanakan dengan baik.
Batasan tekanan turbocarjer untuk motor diesel empat langkah dapat diperoleh dengan ketentuan sebagai berikut :
• Low speed : (1,20 ÷ 1,35) atm absolut.
• Medium speed : (1,25 ÷ 2,20) atm absolut
• High speed : (1,40 ÷ 2,50) atm absolut
