Teknik Mesin : Pembahasan Tentang Dasar Dasar Engine
A. Dasar - Dasar Mesin Diesel
Mesin merupakan suatu alat yang memiliki kemampuan untuk dapat merubah energi panas yang dimiliki oleh bahan bakar menjadi energi gerak. Berdasarkan fungsi maka istilah pada Mesin Diesel biasa digunakan sebagai sumber tenaga atau penggerak utama (prime power) pada mesin, genset, kapal (marine vessel ataupun berbagai macam peralatan industri.
B. Klasifikasi Mesin
Dari bagian tersebut dapat di buat penggolongan yang pertama di lakukan yaitu membagi mesin berdasarkan tempat terjadinya proses pembakaran dan tempat perubahan energi panas menjadi energi gerak.
Apabila kedua peristiwa tadi terjadi dalam ruang yang sama maka mesin tersebut dikategorikan sebagai mesin dengan jenis internal combution. Sedangkan apabila ruang tersebut terpisah maka mesin disebut sebagai eksternal combution.
Mesin eksternal combution selanjutnya dapat dibagi menjadi dua golongan yaitu:
Mesin eksternal combution selanjutnya dapat dibagi menjadi dua golongan yaitu:
* Turbin
* Piston
Pada mesin jenis internal combution penggolongan mesin selanjutnya terdiri dari :
* Mesin piston
* Turbin dan wenkel atau Rotar
Berdasarkan perlu tidaknya percikan bunga api untuk proses pembakaran maka mesin piston dibagi menjadi dua jenis yaitu:
* Mesin diesel
* Mesin spark Ignited
Merujuk pada banyaknya langkah yang diperlukan untuk mendapat satu langkah power maka mesin diesel dibagi menjadi mesin diesel dua langkah (two stroke) dan empat langkah (four stroke).
Selanjutnya mesin diesel empat langkah digolongkan lagi berdasarkan cara pemasukan bahan bakar kedalam ruang bakar menjadi dua tipe yaitu: mesin dengan sistem pre-combution chamber dan direct injection.
Pada spark ignited engine penggolongan pertama didasarkan pada jenis bahan bakar yang digunakan yaitu: mesin berbahan bakar gas dan bensin. Tetapi ini membahas tentang mesin diesel.
C. Istilah - istilah Pada Mesin
Sebelum membahas mengenai siklus Mesin Diesel empat langkah maka sebaiknya di sepakati dulu beberapa istilah yang akan dipakai.
C. Istilah - istilah Pada Mesin
Sebelum membahas mengenai siklus Mesin Diesel empat langkah maka sebaiknya di sepakati dulu beberapa istilah yang akan dipakai.
* 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 combution 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) atau Compression volume (TDC)
* Friction atau 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 dingding liner pada saat piston bergerak keatas dan kebawah. Friction menimbulkan panas yang merupakan salah satu penyebab utama keausan dan kerusakan pada komponen.
* Inertia atau Kelembaman: yaitu kecenderungan dari suatu benda yang bila diam akan tetap diam atau benda yang bergerak akan tetap bergerak. Mesin harus menggunakan tenaga untuk melawan inertia tersebut.
* Force (Gaya): yaitu 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): yaitu ukuran gaya yang terjadi setiap satuan luas, Sewaktu siklus empat langkah berjalan maka tekanan terjadi diatas piston pada saat langkah kompressi dan langkah tenaga.
Selain istilah-istilah tersebut harus diketahui juga nama-nama komponen dasar mesin yang membentuk combution chamber (ruang bakar), yaitu:
* Inertia atau Kelembaman: yaitu kecenderungan dari suatu benda yang bila diam akan tetap diam atau benda yang bergerak akan tetap bergerak. Mesin harus menggunakan tenaga untuk melawan inertia tersebut.
* Force (Gaya): yaitu 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): yaitu ukuran gaya yang terjadi setiap satuan luas, Sewaktu siklus empat langkah berjalan maka tekanan terjadi diatas piston pada saat langkah kompressi dan langkah tenaga.
Selain istilah-istilah tersebut harus diketahui juga nama-nama komponen dasar mesin yang membentuk combution chamber (ruang bakar), yaitu:
Keterangan:
No.1: Cylinder liner
No.2: Piston
No.3: Intake valve
No.4: exhaust valve
No.5: Cylinder head
D. Siklus Mesin Diesel Empat langkah
Adapun proses kerja siklus motor bakar empat langkah dapat diuraikan sebagai berikut:
* Langkah Hisap (Suction atau 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 kedalam ruang bakar yang dilengkapi dengan turbocharger maka udara yang masuk keruang bakar akan lebih banyak lagi di karenakan adanya dorongan dari sisi tekan compressor wheel pada turbocharger.
* Langkah kompressi (Kompression Stroke)
Setelah piston mencapai titik mati bawah maka arah piston akan berbalik menuju kembali ketitik mati atas, hanya saja pada langkah ini tidak ada katup yang membuka. Sebagai dari akibat mengecilnya volume ruang bakar maka udara yang ada didalam ruang bakar menjadi terkompressi.
Dengan kompressi rasio yang berkisar antara 19:1 sampai 23:1 maka pengkompressian udara pada ruang bakar akan menghasilkan panas kompresi (heat compression) yang tinggi ( kurang lebih berkisar 1000°F).
Beberapa derajat sebelum piston mencapai titik mati atas bahan bakar solar di injeksikan melalui nozle kedalam ruang bakar, penginjeksiannya harus menggunakan tekanan yang tinggi sehingga solar yang disemprotkan kedalam ruang bakar berubah menjadi butiran-butiran cairan solar yang sangat halus seperti kabut. Pada saat solar disemprotkan maka campuran antara solar dan udara didalam 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 menuju titik mati bawah. Beberapa derajat (±10°C) 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)
Beberapa derajat sebelum piston mencapai titik mati atas bahan bakar solar di injeksikan melalui nozle kedalam ruang bakar, penginjeksiannya harus menggunakan tekanan yang tinggi sehingga solar yang disemprotkan kedalam ruang bakar berubah menjadi butiran-butiran cairan solar yang sangat halus seperti kabut. Pada saat solar disemprotkan maka campuran antara solar dan udara didalam 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 menuju titik mati bawah. Beberapa derajat (±10°C) 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 di buang. 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 muffler gas tersebut akan dilepas keatmosfer. Kecuali untuk motor bakar diesel yang diperlengkapi dengan turbocharger maka sebelum masuk kedalam muffler 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 dibawah ini. Urutan gambar dari kiri kekanan memperlihatkan kondisi akhir langkah hisap, akhir langkah kompressi, awal langkah power dan awal langkah buang.
Gas sisa hasil pembakaran didorong keluar oleh piston melalui katup buang. Selanjutnya melalui muffler gas tersebut akan dilepas keatmosfer. Kecuali untuk motor bakar diesel yang diperlengkapi dengan turbocharger maka sebelum masuk kedalam muffler 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 dibawah ini. Urutan gambar dari kiri kekanan memperlihatkan kondisi akhir langkah hisap, akhir langkah kompressi, awal langkah power dan awal langkah buang.
E. Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Pembakaran
Ada 3 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 memutar mesin. Udara yang mengandung bahan oksigen di perlukan untuk membakar bahan bakar. Sementara bahan bakar menghasilkan gaya. Ketika bahan bakar dikabutkan diruang bakar maka bahan bakar akan sangat mudah untuk dinyalakan dan akan terbakar dengan efisien.
Pembakaran dapat terjadi ketika campuran bahan bakar dan udara dikompresikan sampai dihasilkan panas yang cukup (±1000°F) sehingga dapat menyala tanpa bantuan percikan bunga api. Selanjutnya dari ketiga faktor yang sudah disebutkan diatas maka terdapat 3 faktor lagi yang mengontrol hasil pembakaran:
1.Volume udara yang dikompressikan, makin banyak udara yang dikompressikan maka makin tinggi temperatur yang dihasilkan. Apabila jumlah udara yang dikompressikan mencukupi maka akan dihasilkan panas yang temperaturnya diatas temperatur penyalaan bahan bakar.
2. Jenis bahan bakar yang digunakan jenis bahan bakar yang jenisnya berbeda akan terbakar pada temperatur yang berbeda pula. Selain itu effesiensi pembakarannya juga berlainan.
3. Jumlah bahan bakar yang di injeksikan keruang bakar, jumlah bahan bakar yang diinjeksikan juga dapat mengontrol hasil pembakaran. Makin banyak bahan bakar diinjeksikan akan makin besar gaya yang dihasilkan.
Makin Banyak Bahan Bakar => Makin besar gaya
Engine power ditentukan oleh beberapa faktor, yaitu: Torque dan rpm
Rumus hose power =
HP = Torque x Rpm / 5252
F. Istilah Pada Tenaga Keluar Engine
gbr. Pemanfaatan tenaga engine untuk mendorong tanah
* Torque (momen puntir atau torsi) adalah gaya puntir, crankshaft membuat torque menjadi gaya di flywheel, torque convert atau bagian mekanis lainnya untuk berputar.
* Torque menentukan kemampuan mengalami pembebanan:Torque juga merupakan ukuran kapasitas pembebanan dari mesin.
Rumus dari torque adalah:
Torque = 5252x (Hp/rpm) lb.ft
* 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.
F. Istilah Pada Tenaga Keluar Engine
gbr. Pemanfaatan tenaga engine untuk mendorong tanah
* Torque (momen puntir atau torsi) adalah gaya puntir, crankshaft membuat torque menjadi gaya di flywheel, torque convert atau bagian mekanis lainnya untuk berputar.
* Torque menentukan kemampuan mengalami pembebanan:Torque juga merupakan ukuran kapasitas pembebanan dari mesin.
Rumus dari torque adalah:
Torque = 5252x (Hp/rpm) lb.ft
* 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.
Keterangan:
TR= Torque rise
Hp= Horse power
TC= Torque curve
HC= Horsepower curve
PT= Peak torque
RT= Rated torque
* Horsepower: yaitu satuan tenaga yang dihasilkan oleh mesin persatuan waktu atau kemampuan melakukan kerja.
* Brake horsepower: adalah tenaga siap pakai di flywheel yang dapat digunakan untuk melakukan kerja. brake horsepower itu lebih kecil dari horse power yang terjadi sebenarnya, karena sebagian tenaganya dipakai untuk memutar komponen mesin itu sendiri.
* Heat (panas): yaitu bentuk energi yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar. Energi panas diubah menjadi tenaga mekanis oleh piston dan komponen mesin lainnya untuk menghasilkan tenaga yang dapat digunakan untuk bekerja.
* Temperatur (suhu): adalah ukuran relative dari panas atau dinginnya suatu benda. Biasanya diukur dalam satuan franheit atau celcius.
* British termal unit (Btu): digunakan 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 pond air sebesar satu derajat franheit.
G. Perbandingan Diesel dan Gasoline Engine
TR= Torque rise
Hp= Horse power
TC= Torque curve
HC= Horsepower curve
PT= Peak torque
RT= Rated torque
* Horsepower: yaitu satuan tenaga yang dihasilkan oleh mesin persatuan waktu atau kemampuan melakukan kerja.
* Brake horsepower: adalah tenaga siap pakai di flywheel yang dapat digunakan untuk melakukan kerja. brake horsepower itu lebih kecil dari horse power yang terjadi sebenarnya, karena sebagian tenaganya dipakai untuk memutar komponen mesin itu sendiri.
* Heat (panas): yaitu bentuk energi yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar. Energi panas diubah menjadi tenaga mekanis oleh piston dan komponen mesin lainnya untuk menghasilkan tenaga yang dapat digunakan untuk bekerja.
* Temperatur (suhu): adalah ukuran relative dari panas atau dinginnya suatu benda. Biasanya diukur dalam satuan franheit atau celcius.
* British termal unit (Btu): digunakan 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 pond air sebesar satu derajat franheit.
G. Perbandingan Diesel dan Gasoline Engine
* Mesin Diesel 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 digunakan untuk membakar bahan bakar.
* Bentuk ruang bakar mesin diesel, diesel engine dan motor bensin memiliki ruang bakar yang berbeda bentuknya. Pada diesel ruang diantara 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 ratio kompressinya lebih kecil.
* Bentuk ruang bakar mesin diesel, diesel engine dan motor bensin memiliki ruang bakar yang berbeda bentuknya. Pada diesel ruang diantara 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 ratio kompressinya lebih kecil.
* Mesin diesel mampu melakukan kerja yang lebih berat: perbedaan utama yang lain yaitu dapat bekerja 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 mesin, mengubah tenaga panas menjadi gerakan dengan menggunakan siklus empat langkah.
* Diesel engine lebih hemat bahan bakar: pada waktu beroperasi, mesin diesel umumnya lebih hemat dalam pemakaian bahan bakar dibandingkan motor bensin. Dimana dengan sedikit bahan bakar mesin diesel dapat menghasilkan tenaga yang lebih besar dibandingkan motor bensin. Hal tersebut terjadi karena solar memiliki kandungan panas yang lebih tinggi dibandingkan panas yang dikandung oleh bensin.
* Mesin Diesel lebih berat: mesin diesel umumnya lebih berat dari pada motor bensin, karena konstruksinya dan material bahan pembuat mesin diesel harus tahan terhadap tekanan dan temperatur tinggi dari pembakaran.
* Compression ratio: diesel engine umumnya mempunyai kompresi rasio yang lebih tinggi untuk memanaskan udara sampai titik bakarnya. Pada umumnya mesin diesel mempunyai kompresi rasio 13:1 sampai 20:1 sedang motor bensin mempunyai kompresi rasio 8:1 sampai 11:1.
H. Spark Ignited Engine
* Compression ratio: diesel engine umumnya mempunyai kompresi rasio yang lebih tinggi untuk memanaskan udara sampai titik bakarnya. Pada umumnya mesin diesel mempunyai kompresi rasio 13:1 sampai 20:1 sedang motor bensin mempunyai kompresi rasio 8:1 sampai 11:1.
H. Spark Ignited Engine
Spark ignited engine beroperasi dengan bahan bakar gas seperti propane, methane dan ethanol.
I. Contoh Mesin Caterpillar pada Gas Engine
Pada beberapa mesin piston telah mengalami perubahan rancangan 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 mesin dan agar menghasilkan emisi yang rendah.
Sampai saat ini gas engine caterpillar tersedia dengan tipe 3300, 3400, 3500 dan 3600. Dengan aplikai penggunaan dan penyaluran gas dilapangan natural gas, pengairan, pemompaan dan power cogeneration plant.