1. PENGENALAN PLTD 1.1 Mesin Diesel
1.1.1. Pengertian Mesin Diesel dan Bagian Utamanya
Mesin diesel adalah mesin yang menghasilkan tenaga mekanis dengan cara melaksanakan proses pembakaran di dalam mesin (internal combustion engine) dan berbahan bakar solar. Dari proses pembakaran akan diperoleh tekanan yang tinggi sehingga dapat menghasilkan tenaga.
Udara murni dimampatkan (dikompresi) dalam suatu ruang bakar (silinder) sehingga diperoleh udara bertekanan tinggi serta panas, bersamaan dengan itu disemprotkan solar. Bahan bakar yang disemprotkan berbentuk kabut tersebut akan bercampur merata dengan udara panas sehingga terjadilah pembakaran.
Pembakaran yang berupa ledakan akan menghasilkan panas dalam ruang bakar, temperatur dan tekanan pun menjadi tinggi. Tekanan ini mendorong piston kebawah yang berlanjut dengan berputarnya poros engkol.
Gambar 1.1.1.1 Internal Combustion Engine
Bagian utama Mesin Diesel, yaitu : A. Cylinder Head
B. Cylinder Liner and Anti-Polishing Ring
C. Piston
D. Piston Ring Set
Gambar 1.1.1.7 Piston Ring Set
E. Connecting Rod
F. Bearing (Bantalan)
Gambar 1.1.1.9 Bearing (Bantalan)
G. Crankshaft (Poros Engkol)
H. Engine Block
Gambar 1.1.1.11 Engine Block
1.1.2. Prinsip Kerja Mesin Diesel 4 Langkah dan 2 Langkah
Mesin diesel 4 langkah ialah : mesin diesel dimana setiap satu kali proses usaha terjadi 4 (empat) kali langkah piston atau 2 kali putaran poros engkol
A. Langkah pengisian
Piston bergerak dari TMA ke TMB, katup isap terbuka dan katup buang tertutup, sehingga udara bersih masuk kedalam silinder.
B. Langkah kompresi
Piston bergerak dari TMB ke TMA, katup isap tertutup dan katup buang tertutup, udara didalam silinder ditekan sehingga timbul panas. Akhir kompresi, bahan bakar diinjeksikan keruang bakar sehingga terjadi pembakaran.
C. Langkah usaha
Pembakaran menghasilkan tekanan yang tinggi dalam ruang bakar, tekanan ini mendorong piston dari TMA menuju TMB, melakukan usaha
D. Langkah pembuangan
Akhir langkah usaha katup buang terbuka, sehingga gas buang keluar melalui katup tersebut, piston bergerak dari TMB menuju TMA.
Mesin diesel 2 langkah ialah : mesin diesel dimana setiap satu kali proses usaha terjadi 2 (dua) kali langkah piston atau 1 kali putaran poros engkol
Gambar 1.1.2.2 Prinsip kerja mesin diesel 2 langkah
A. Langkah 1
Pengisian dan kompresi
Piston bergerak dari TMB menuju TMA, udara pengisian masuk melalui lubang isap, kemudian disusul dengan kompresi, akhir kompresi bahan bakar diinjeksikan ke ruang bakar sehingga terjadi pembakaran.
B. Langkah 2
Usaha dan pembuangan
1.2 Diagram Katup
Pemasukan udara ke dalam silinder akan menyebabkan gas buang kehilangan daya yang diperlukan, disebut rugi pemompaan. Untuk menurunkan tekanan balik ( back pressure), maka pembukaan katup dibuat sebesar mungkin, ini khususnya penting dalam kasus mesin 2 langkah karena proses buang keseluruhannya terjadi dalam bagian yang kecil dari langkah piston dan pembilasan harus diselesaikan seluruhnya oleh tekanan pengisian udara segar. Oleh sebab itu, mesin diesel 2 langkah biasanya menggunakan 2 atau 4 katup buang tiap silinder.
A1 = katup isap
Gambar 1.3.1 Katup dan kelengkapannya
Pada mesin 4 langkah, pembukaan katup buang tidak menjadi masalah, karena gas buang dipaksa keluar dalam gerak positif dari piston selama langkah pembuangan. Pembukaan katup isap perlu untuk diperhatikan agar tidak ada hambatan, karena hambatan terhadap aliran udara tidak hanya menaikan rugi pemompaan tetapi juga menurunkan densiti pengisian udara. Penurunan densiti pengisian udara berarti berkurangnya berat oksigen yang tersedia tiap langkah pemasukan, akibatnya bahan bakar yang terbakar berkurang dan daya maksimum yang dapat dibangkitkan menjadi berkurang.
Kondisi ini makin berat dengan meningkatnya kecepatan mesin, rugi pemompaan meningkat dengan cepat karena kecepatan yang tinggi dari aliran gas dan densiti pengisian udara juga berkurang.
Pengaturan timing katup sangat penting untuk memperoleh kombinasi yang baik antara daya, efisiensi, ekonomi dan umum mesin. Faktor kunci dalam mencapai tujuan tersebut adalah proses pengisian, campuran bahan bakar dengan udara yang tepat kedalam silinder.
Telah diketahui bahwa, mesin memerlukan bahan bakar, udara dan panas untuk keperluan pembakaran didalam silinder, dan pembakaran tersebut menghasilkan gas bekas yang harus dikeluarkan dari ruang bakar. Untuk mengatur pemasukan dan pembuangan tersebut diatur oleh katup (Katup isap dan katup buang) lihat gambar 1.3.1
Katup bekerja membuka dan menutup laluan fluida gas. Katup masuk bekerja membuka dan menutup laluan udara yang masuk ke dalam silinder, sedangkan katup buang bekerja membuka dan menutup laluan gas bekas ke luar silinder.
Kerja katup dalam tiap satu siklus dapat dilihat pada tabel berikut :
Diagram Katup mesin 4 langkah
.
Gambar 1.3.2 Katup isap mulai membuka
Gambar 1.3.4 Katup buang mulai membuka Katup isap terbuka
piston melewati titik mati bawah (TMB)
akhir langkah
kompresi
Gambar 1.3.3 Katup isap menutup
Katup buang terbuka saat piston akan mencapai TMB (langkah usaha)
Gambar 1.3.5 Katup buang menutup
Katup buang akan
Gambar disamping menunjukkan diagram katup isap dengan besaran derajat yang ditunjukkan sebagai A, dan B. Dalam hal ini katup isap membuka pada posisi poros engkol 10O sebelum piston mencapai TMA dan akan menutup pada posisi poros engkol 490 setelah piston melewati TMB. Jadi total waktu katup isap terbuka adalah 10+ 180 + + 49 = 2390
Gambar 1.3.6 Diagram katup isap
Diagram katup buang
Gambar di samping menunjukkan diagram katup buang dengan besaran derajat, dimana C = 460 dan D = 130.
Maksudnya katup buang menutup pada 460 sebelum TMB dan katup buang menutup pada 130 setelah TMA. Jadi total katup buang terbuka adalah 13 + 180 + 46 = 2390.
Gambar 1.3.7 Diagram katup buang
Diagram katup
Jika diagram katup isap digabung dengan diagram katup buang menjadi satu diagram disebut diagram katup.
Karena timing katup mesim satu dan lainnya bisa berbeda, maka akan berbeda pula diagram katupnya. Hal ini sesuai dengan perencanaan dari tiap type dan jenis mesinnya.
Gambar 1.3.8 adalah suatu contoh diagram katup yang diambil dari mesin Diesel DAF
Kedua katup tertutup selama langkah kompresi dan langkah kerja :
180° - 49° = 131° 180° - 46° = 134° Total = 265°
Total katup buang terbuka : 46° + 180° + 13° = 239°
Hal ini berarti putaran poros engkol :
239° + 265° + 239° = 743° untuk satu siklus lengkap
Diagram katup mesin 2 langkah
Pada mesin 2 langkah, piston berfungsi pula sebagai katup (katup buang dan katup isap), namun kenyataannya untuk mesin diesel 2 langkah sekarang ini dilengkapi dengan katup buang, sehingga piston hanya berfungsi sebagai katup isap. Umumnya pembukaan katup buang ini lebih lama dibandingkan pembukaan katup isap, hal ini dimaksudkan agar sisa gas pembakaran akan lebih leluasa untuk keluar. Sehingga pada mesin 2 langkah sepanjang pembukaan katup isap, katup buang juga membuka, keadaan ini disebut “ Saat Pembilasan” secara lengkap keadaan ini dapat dilihat pada diagram katup mesin 2 langkah pada gambar 21.
1.3 Injection Timing
Telah kita ketahui bahwa hasil dari pembakaran mesin diesel ditentukan oleh bahan bakar (HSD), oxigen dan kompresi yang tinggi. Namun suatu hal yang tidak kalah pentingnya adalah saat yang tepat menyemprotkan bahan bakar tadi, ini yang kita sebut dengan saat penyemprotan (Injection timing). Bila saat penyemprotan tak tepat maka tidak mungkin kita bisa mendapatkan daya optimal sebaliknya.
Apabila saat penyemprotan disetel tepat berarti mesin diesel tersebut akan mencapai daya yang optimal, tercapai efisiensi bahan bakar, kondisi mesin normal dan awet sehingga akan memperpanjang umur mesin dan menekan biaya pemeliharaan. Waktu pemeliharaan bisa terencana sesuai dengan jadwal pemeliharaan dan juga akan mencapai keandalan pada mesin pembangkit, pelayanan pada konsumen PLN akan meningkat karena listrik tidak sering padam, lossespun akan bisa terkendali. Kerugian-kerugian yang diakibatkan sering padamnya listrik akan dapat dikurangi apabila timing injection pump normal.
Kapan sebaiknya penyemprotan bahan bakar itu dilakukan dengan tepat. Mesin diesel mempunyai beberapa type dan kapasitas sesuai dengan disain pabrik pembuat, jadi mengenai penyemprotan bahan bakar itu diatur sesuai dengan derajat poros engkol. Masing-masing type mesin diesel berbeda bedasarkan pabrik pembuat dan disesuaikan dengan kapasitas masing-masing mesin berdasarkan urutan pengapiannya (Firing Order).
Penyemprotan bahan bakar dapat dilakukan pada saat tekanan kompresi, katup masuk masuk dan katup buang pada posisi tertutup, ruang bakar mencapai temperatur nyala, volume didalam silinder menurun, tekanan dan temperatur udara naik. Pada akhir langkah kompresi pada mesin diesel tekanan udara didalam silinder mencapai ±30 bar dan temperatur mencapai
± 550° C. Selama langkah kompresi piston bertugas menahan udara didalam silinder (ruang bakar) dan pada roda gila dapat terlihat berapa derajat poros engkol terbaca misalnya 22° sebelum mencapai titik mati atas (TMA) untuk mesin diesel pompa injeksi bahan bakar akan bekerja menekan bahan bakar ke dalam silinder dan terus akan mencapai kenaikan temperatur titik nyala.
Pemahaman yang lebih baik tentang apa yang terjadi dalam silinder mesin diesel selama periode pembakaran dapat diperoleh dengan cara penyajian secara grafik, seperti pada gambar 1.4.1
Gambar 1.4.1 Diagram pembakaran
Perubahan tekanan ditunjukan pada garis ordinat dan waktu ditunjukan sebagai aksisnya. Gambar diatas menunjukan perubahan tekanan selama 180° yaitu dari 90° sebelum TMA sampai 90° sesudah TMA.
Kurva titik-titik yang simetris pada sisi kanan menunjukan ekspansi pengisian udara tanpa adanya bahan bakar. Setelah bahan bakar diinjeksikan dan terjadi pembakaran, maka prosesnya akan terjadi 4 periode yang terpisah.
Periode pertama : Dimulai dari titik 1 sampai titik 2 yaitu bahan bakar mulai disemprotkan.
Periode ini disebut periode persiapan pembakaran atau periode kelambatan (delay periode). Periode keterlambatan penyalaan ini juga tergantung dari beberapa faktor antara lain pada mutu penyalaan bahan bakar dan beberapa kondisi misalnya : kecepatan mesin dan perbandingan kompresi. Periode kedua : Yaitu antara 2 dan 3. Pada titik 2 bahan bakar mulai terbakar dengan cepat
sehingga tekanan naik dengan cepat pula dan sementara piston juga masih bergerak menuju TMA. Selain itu bahan bakar yang terbakar juga makin banyak, sehingga walaupun piston mulai bergerak menuju TMB tapi tekanan masih naik sampai titik 3. Periode ini disebut periode cepat.
1. Injection delay, waktu yang dibutuhkan pompa injeksi untuk meningkatkan tekanan sampai dengan injektor membuka.
2. Ignition delay,waktu yang dibutuhkan pompa
3. Combustion under constant volume, atau lazim disebut pembakaran cepat.
Periode ketiga : Dinamai periode pembakaran terkendali, yaitu antara 3 dan 4 pada periode
ini meskipun bahan bakar lebih cepat terbakar, namun jumlah bahan bakar sudah tidak banyak lagi dan proses pembakaran langsung pada volume ruang bakar yang bertambah besar.
Periode keempat : Yaitu periode dimana pembakaran masih berlangsung, karena adanya
sisa bahan bakar yang belum terbakar dari periode sebelumnya walaupun sudah tidak ada pemasukan bahan bakar.
Agar dapat dicapai hasil daya optimal suatu mesin diesel yang terdiri dari beberapa silinder diperlukan kinerja optimal setiap silindernya. Bila tidak seimbang atau terdapat satu/dua silinder tidak baik maka akan membebani silinder yang lainnya.
Kondisi aktual dari pembakaran pada setiap silindernya harus dipantau secara periodik dengan tujuan agar diperoleh kinerja mesin sampai optimal. Hal ini dapat dilakukan dengan combustion press gauge atau peralatan yang lebih canggih lainnya.
Gambar 1.4.2 Hasil combustion press
Pada kenyataan dilapangan hasil timing injection tidak selalu tepat sesuai dengan manual/instruction book pabrik pembuat mesin.
Ada 3 macam kondisi timing injection :
• Injection timing normal (firing point correct)
• Injection timing cepat (firing point too early)
• Injection timing lambat (firing point too late)
max. permissible 10 bar below test report value
Gambar 1.4.3 Injection Timing
1.4 Firing Order (FO)
Diatas sudah dibicarakan bahwa satu siklus motor diesel 4 langkah terjadi dalam dua putaran engkol (720º) .
Bila motor bersilinder banyak (misalnya 4 silinder), maka dalam dua putaran engkol (720º) tiap silinder akan mendapat giliran satu kali usaha. Agar diperoleh pendistribusian daya yang seimbang sepanjang bentangan proses, giliran penyalaan ke 4 silinder tidak diurut berdasarkan nomor silindernya 1-2-3-4, tapi dibuat berselang seling sedemikian rupa sehingga oleh pabrik diperhitungkan akan diperoleh keseimbangan pendistribusian daya pada poros mesin tersebut.
Mesin type in line
F.O. Mesin dapat dilihat pada plat nama mesin tersebut, misalkan satu mesin diesel in line 4 langkah, 4 silinder, pada plat namanya tertera F.O = 1-3-4-2. Angka tersebut menunjukan urutan pembakaran (dengan sendirinya juga berarti urutan langkah usaha) mesin tersebut adalah sebagai berikut :
Dari silinder No.1 ……….silinder 3. ………..silinder 4…….. silinder No. 2 dan kembali ke silinder No.1 secara khusus dapat digambar sebagai berikut :
Injection timing normal
Timing normal adalah langkah penyemprotan bahan bakar mulai 220 sebelum TMA dilihat pada roda gila dan diukur dengan menggunakan alat pengukur tekanan pembakaran (diagram pembakaran)
Injection timing cepat
Yang dimaksud timing cepat adalah proses penyalaan pembakaran diruang bakar lebih besar dari 220 sebelum TMA sehingga mengakibatkan pembakaran lebih cepat dari waktu yang ditentukan
Injection timing lambat
Gambar 1.5.1 Firing Order mesin diesel 4 silinder
Mesin type ” V “
Untuk mesin type “V” urutan pembakaran diatur berselang seling antara silinder deretan kiri (Left) dan kanan (Right). Umpamanya mesin enter prise 4 langkah 12 silinder Type “V” dengan
F.O. 1L 6R 5R 4L 3R 6L 1R 5L 2R 3L 4R
Dengan mengetahui urutan pembakaran (FO) dari suatu mesin yang bersilinder banyak, kita dapat mengetahui :
1. Bentuk engkol (susunan engkol)
2. Proses yang terjadi didalam tiap silinder
Contoh : Mesin Diesel 4 langkah 4 silinder Dengan FO = 1 – 3 – 4 – 2 - Bagaimana bentuk engkolnya - Bagamana bentuk diagram FO nya
Dengan FO tersebut bentuk engkol adalah seperti gambar :
Untuk mengambarkan diagram FO. terlebih dahulu harus dihitung interval pembakarannya. Internal pembakaran adalah jarak awal pembakaran satu silinder dengan silinder berikutnya.
Satu siklus Internal pembakaran (IP) = ---
Jumlah silinder Untuk contoh diatas
720º
IP = --- = 180º 4
Maka Diagram FO adalah sebagai berikut : SILINDER
NOMOR PROSES YANG TERJADI DI DALAM SILINDER
1 USAHA Buang Isap Kompressi
2 Buang Isap Kompressi Usaha
3 Kompressi Usaha Buang Isap
4 Isap Kompressi Usaha Buang
Gambar 1.5.3 Diagram FO mesin diesel 4 langkah, 4 silinder
Pada diagram FO diatas dapat dibaca proses yang terjadi pada setiap silinder untuk suatu keadaan tertentu.
Sebagai Contoh untuk perputaran engkol 0º ÷ 180º
Pada Silinder 1 terjadi usaha
Silinder 2 terjadi buang
Silinder 3 terjadi kompresi
