Dasar-dasar Engine Diesel

DEFINISI

Engine adalah suatu alat yang memiliki kemampuan untuk merubah energi panas yang dimiliki oleh bahan bakar menjadi energi gerak.

Berdasarkan fungsinya maka terminologi engine pada Caterpillar^ biasa digunakan sebagai sumber tenaga atau penggerak utama (prime power) pada  machine, genset, kapal (marine vessel)  ataupun berbagai macam peralatan industri

ISTILAH-ISTILAH PADA ENGINE

Sebelum membahas mengenai siklus engine diesel empat langkah maka sebaiknya disepakati terlebih dahulu beberapa terminology/istilah yang akan banyak digunakan.

Top dead center/titik mati atas : Posisi paling atas dari gerakan piston.

•      Bottom dead center/titik mati bawah : Posisi paling bawah dari gerakan piston. 

•      Bore : Diameter combustion chamber ( ruang bakar ).

Stroke : menunjukkan jarak yang ditempuh oleh piston untuk bergerak dari BDC menuju TDC atau sebaliknya

•      Displacement : Bore Area X Stroke.

Compression ratio : Total volume (BDC)/compression volume (TDC).

 

•      Friction/gesekan : Friction adalah tahanan yang timbul dari gesekan antara dua permukaan yang saling bergerak relatif satu sama lain. Contoh: Friction yang terjadi antara piston dan dinding liner pada saat piston bergerak ke atas dan ke bawah. Friction menimbulkan panas yang merupakan salah satu penyebab utama keausan dan kerusakan pada komponen.

•      Inertia/kelembaman : Inertia adalah kecenderungan dari suatu benda yang bila diam akan tetap diam atau benda yang bergerak akan tetap bergerak. Engine harus menggunakan tenaga untuk melawan inertia tersebut.

•      Force/gaya : Force adalah dorongan atau tarikan yang menggerakkan, menghentikan atau merubah gerakan suatu benda. Daya yang ditimbulkan oleh pembakaran pada saat langkah kerja. Semakin besar gaya yang ditimbulkan semakin besar pula tenaga yang dihasilkan.

•      Pressure/tekanan : Tekanan adalah ukuran gaya yang terjadi setiap satuan luas. Sewaktu siklus empat langkah berjalan maka tekanan terjadi di atas piston pada saat langkah kompresi dan langkah tenaga.

SIKLUS ENGINE DIESEL EMPAT LANGKAH

Adapun proses kerja siklus motor bakar empat langkah dapat diuraikan sebagai berikut:

•      Langkah Hisap (suction/intake stroke)

Pada langkah ini piston bergerak dari titik mati atas menuju titik mati bawah. Katup hisap terbuka sehingga akibat kevakuman yang terjadi dari ekspansi volume pada ruang bakar maka udara dari luar dapat masuk ke dalam ruang bakar melalui katup hisap yang terbuka. Pada motor bakar yang dilengkapi dengan turbocharger maka udara yang masuk ke ruang bakar akan lebih banyak lagi dikarenakan adanya dorongan dari sisi tekan compressor wheel pada turbocharger.

•      Langkah Kompresi (compression stroke)

Setelah piston mencapai titik mati bawah maka arah piston akan berbalik menuju kembali ke titik mati atas, hanya saja pada langkah ini tidak ada katup yang membuka. Sebagai akibat dari mengecilnya volume ruang bakar maka udara yang

ada di dalam ruang bakar menjadi terkompresi. Dengan kompresi rasio yang berkisar antara 19 : 1 sampai 23 : 1 maka pengkompresian udara pada ruang bakar akan menghasilkan panas kompresi (heat compression)  yang tinggi (kurang lebih berkisar 1000 ^oF).  Beberapa derajat sebelum piston mencapai titik mati atas bahan bakar solar diinjeksikan melalui nozle ke dalam ruang bakar, penginjeksiannya harus menggunakan tekanan yang tinggi sehingga solar yang di semprotkan ke dalam ruang bakar berubah menjadi butiran- butiran cairan solar yang sangat halus seperti kabut. Pada saat solar disemprotkan maka campuran antara solar dan udara di dalam ruang bakar mulai terbakar akibat terkena panas yang dihasilkan oleh heat compression.

•      Langkah Tenaga (power stroke)

Proses pembakaran campuran solar dan udara terus berlangsung sampai piston mencapai titik mati atas dan selanjutnya kembali berubah arah kembali menuju titik mati bawah. Beberapa derajat (+ 10^o)  setelah melewati titik mati atas maka pembakaran yang terjadi telah sempurna sehingga dihasilkan ledakan yang tekanan ekspansinya memaksa piston untuk terus bergerak menuju titik mati bawah.

•      Langkah Pembuangan (exhaust stroke)

Setelah energi ledakan panas pada langkah power telah berubah bentuk menjadi energi mekanis maka sisa proses pembakaran yang ada harus dibuang. Proses ini terjadi ketika piston bergerak dari titik mati bawah menuju titik mati atas dengan kondisi katup buang membuka. Gas sisa hasil pembakaran didorong keluar oleh piston melalui katup buang. Selanjutnya melalui mufler gas tersebut akan dilepas ke atmosfer. Kecuali untuk motor bakar diesel yang dilengkapi dengan turbocharger maka sebelum masuk ke dalam mufler gas tersebut masih dimanfaatkan untuk memutarkan sudu-sudu turbin pada turbin wheel.

Demikian siklus ini terjadi secara terus menerus pada motor bakar diesel. Ilustrasi dari proses kerja diesel empat langkah dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Urutan gambar dari kiri ke kanan memperlihatkan kondisi: akhir langkah hisap, akhir langkah kompresi, awal langkah power dan awal langkah buang.

FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI PEMBAKARAN

Ada tiga faktor yang diperlukan dalam proses pembakaran, yaitu:

     Panas  +  Udara  +  Bahan Bakar  ⇒  Pembakaran

Udara dan bahan bakar yang dipanaskan akan menghasilkan pembakaran, sehingga menghasilkan gaya yang diperlukan untuk memutarkan engine. Udara yang mengandung bahan Oksigen diperlukan untuk membakar bahan bakar. Sementara bahan bakar menghasilkan gaya. Ketika bahan bakar dikabutkan di ruang bakar maka bahan bakar akan sangat mudah untuk dinyalakan dan akan terbakar dengan effisien. Pembakaran dapat terjadi ketika campuran bahan bakar dan udara dikompresikan sampai dihasilkan panas yang cukup (+ 1000^oF) sehingga dapat menyala tanpa bantuan percikan bunga api.

Selanjutnya dari ketiga faktor yang sudah disebutkan di atas maka terdapat tiga faktor lagi yang mengontrol hasil pembakaran :

1.                  Volume udara yang dikompresikan.

Makin banyak udara yang dikompresikan, maka makin tinggi temperatur yang dihasilkan. Apabila jumlah udara yang dikompresikan mencukupi maka akan dihasilkan panas yang temperaturnya di atas temperatur penyalaan bahan bakar.

Jenis bahan bakar yang dipergunakan

Jenis bahan bakar mempengaruhi karena bahan bakar yang jenisnya berbeda akan terbakar pada temperatur yang berbeda pula. Selain itu effesiensi pembakarannyapun juga berlainan.

1.                  Jumlah bahan bakar yang diinjeksikan ke ruang bakar.

Jumlah bahan bakar yang diinjeksikan juga dapat mengontrol hasil pembakaran. Makin banyak bahan bakar diinjeksikan, makin besar gaya yang dihasilkan.

      Makin Banyak Bahan Bakar ⇒ Makin Besar Gaya

Engine power ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu : torque dan Rpm.

Rumus untuk horsepower :

Torque× Rpm

Hp≡

5252

ISTILAH PADA TENAGA KELUARAN ENGINE

 

•      Torque : Torque (momen puntir atau torsi) adalah gaya puntir. Crankshaft membuat torque menjadi gaya di flywhell, torque converter atau bagian mekanis lainnya untuk berputar.

Torque menentukan kemampuan mengalami pembebebanan, torque juga merupakan ukuran kapasitas pembebanan dari engine. Rumusan dari torque adalah :

Torque≡ 5252^{× hp} (Lb.ft) rpm

•      Torque rise : Torque rise adalah penambahan torque yang terjadi pada saat engine lugged yaitu dimana rpm engine turun dari rpm operasi. Dalam hal ini kenaikan torque akan terjadi sampai pada penurunan RPM tertentu tercapai, setelah itu torque akan turun dengan cepat. Pada saat torque mencapai harga tertinggi itulah disebut Peak Torque.

•      Horsepower : Horsepower adalah satuan tenaga yang dihasilkan oleh engine per satuan waktu atau kemampuan melakukan kerja.

•      Brake horsepower : Adalah tenaga siap pakai di flywheel yang dapat digunakan untuk melakukan kerja. Brake horse power itu lebih kecil dari horse power yang terjadi sebenarnya, karena sebagian tenaganya dipakai untuk memutar komponen engine itu sendiri

•      Heat/panas : Panas adalah bentuk energi yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar. Energi panas diubah menjadi tenaga mekanis oleh piston dan komponen engine lainnya untuk menghasilkan tenaga yang dapat digunakan untuk bekerja.

•      Temperature/suhu : Temperature adalah ukuran relative dari panas atau dinginnya suatu benda. Biasanya diukur dalam satuan Fahrenheit atau Celsius.

•      British Thermal Unit/BTU : British thermal unit atau BTU dipergunakan untuk mengukur nilai panas secara spesifik dari suatu bahan bakar atau jumlah panas yang dipindahkan dari suatu benda ke benda lainnya. Satu BTU adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan panas satu pound air sebesar satu derajat Fahrenheit.

PERBANDINGAN DIESEL DAN GASOLINE ENGINES

Diesel engine tidak membutuhkan penyalaan dengan percikan bunga api: Perbedaan yang nyata antara diesel dan motor bensin ialah bahwa diesel engine tidak membutuhkan penyalaan untuk pembakaran. Pada diesel, pembakaran dilakukan oleh

         udara yang dimampatkan sehingga udara yang sudah cukup panas dalam ruang bakar bisa digunakan untuk membakar bahan bakar.

•      Bentuk ruang bakar diesel engine: Diesel engine dan motor bensin Memiliki ruang bakar yang berbeda bentuknya. Pada diesel engine ruang di antara cylinder head dan piston pada saat titik mati atas sangat kecil sehingga menghasilkan perbandingan tekanan yang tinggi.

•      Bentuk ruang bakar motor bensin: Pada motor bensin ruang bakar ada di cylinder head. Ruangan diantara piston dan cylinder head lebih besar dari pada diesel, sehingga rasio kompresinya lebih kecil.

•      Diesel engine mampu melakukan kerja yang lebih berat: Perbedaan utama yang lain yaitu dapat bekerja pada pada putaran rendah. Secara umum biasanya diesel beroperasi antara 800 sampai 2000 rpm dan mempunyai lebih banyak torsi dan tenaga untuk bekerja.

•      Siklus empat langkah: Kedua jenis engine, mengubah tenaga panas menjadi gerakan dengan menggunakan siklus empat langkah.

•      Diesel engine lebih hemat bahan bakar: Pada waktu beroperasi, diesel engine umumnya lebih hemat dalam pemakaian bahan bakar dibanding motor bensin. Dimana dengan sedikit bahan bakar, diesel engine dapat menghasilkan tenaga yang lebih besar dibandingkan motor bensin. Hal tersebut terjadi karena solar memiliki kandungan panas yang lebih tinggi dibandingkan panas yang dikandung

 

•      Diesel engine lebih berat: Diesel engine pada umumnya lebih berat dari pada motor bensin, karena konstruksi dan material bahan pembuat diesel engine harus tahan terhadap tekanan dan temperatur tinggi dari pembakaran.

•      Compression ratio: Diesel engine umumnya mempunyai compression ratio yang lebih tinggi untuk memanaskan udara sampai titik bakarnya. Pada umumnya diesel engine mempunyai compression ratio 13:1 sampai 20:1 sedang motor bensin mempunyai compression ratio 8:1 sampai 11:1.

Spark ignited engine beroperasi dengan bahan bakar gas seperti propane, methane dan ethanol.

CATERPILLAR GAS ENGINE

Pada beberapa engine pistonnya telah mengalami perubahan design dengan menambah cekungan yang cukup dalam untuk fasilitas pembakaran. Atau bisa juga  dengan permukaan piston yang rata. Sensor electronic dan timing device ditambahkan untuk menambah kemampuan kerja engine dan agar menghasilkan low emission ( rendah emisi). Sampai saat ini Gas engine Caterpillar tersedia dengan tipe 3300, 3400, 3500 dan 3600.  Dengan aplikasi pemakaian untuk penerangan dan penyaluran gas di lapangan natural gas, pengairan, pemompaan dan power cogeneration plant.