 |
 |
| Gambar 1.1 Ilustrasi gerakan piston pada engine dan geometri dasar dari gerakan piston Piston bergerak antara Titik Mati Atas / Top Dead Center (TDC/TC) dan Titik Mati Bawah / Bottom Dead Center (BDC/BC) dimana volume silinder maksimum dan minimum. Terdapat 3 volume silinder yang perlu diperhatikan, yaitu volume minimum disebut sebagai clearance volume Vc, volume yang dipindahkan oleh piston selama siklus Vd dan dan volume total Vt. Perbandingan volume maksimum dan volume minimum disebut sebagai rasio kompresi rc. Rasio kompresi memberikan gambaran akan berapa banyak udara yang bisa diproses dalam silinder untuk proses pembakaran. Posisi piston antara TDC dang BDC ditunjukan melalui sudut Crank atau Crank Angle ( CA 0 ). Dibutuhkan 4 kayuhan piston untuk menyelesaikan siklus pembakaran pada diesel engine konvensional : A. Pada kayuhan pertama, atau kayuhan masukan, piston bergerak dari TDC menuju BDC. Selama kayuhan masukan ini, udara yang sudah terfilter dihisap masuk ke dalam silinder. B. Pada kayuhan kedua, udara tersebut ditekan oleh piston dengan bergerak dari BDC balik ke TDC, dan saat mendekati TDC, sekitar 20° sebelum TDC, bahan bakar diinjeksikan. Semprotan bahan bakar ini teratomisasi menjadi butiran-butiran dan bercampur dengan udara dengan proporsi pembakaran tertentu. Pada kayuhan ini, campuran udara dengan bahan bakar memanas akibat tekanan yang tinggi hingga mencapai temperature terbakarnya secara otomatis bahan bakar (autoignition temperature) dimana terjadi pembakaran pada campuran bahan bakar dan udara. C. Dengan terbakarnya campuran tersebut, energi panas terlepaskan untuk menaikan temperature dan tekanan pada volume sempit Vc saat mencapai TDC. Tekanan tinggi ini mendorong piston untuk bergerak ke BDC dam memproduksi kerja. D. Kayuhan terakhir membuang sisa pembakaran menuju atmosfir. Ilustrasi mekanisme 4 langkah ini dapat dilihat pada gambar berikut.   Gambar 1.2 Grafik tekanan terhadap volume dan siklus diesel dan ilustrasi pergerakan piston disetiap langkah 1.2 TEORI SISTEM BAHAN BAKAR INJEKSI Tujuan utama dari sistem injeksi bahan bakar adalah mengirimkan bahan bakar menuju silinder dari engine diesel pada saat piston bergerak menuju TDC pada kayuhan kedua dari siklus pembakaran. Bahan bakar dikirimkan ke injektor dalam kondisi tekanan tinggi, sehingga rancangan komponen sistem dan material yang digunakan mesti tahan kondisi ekstrim sehingga bisa bekerja dengan handal dalam waktu yang lama pada kondisi operasi engine diesel. Agar engine dapat menggunakan bahan baar secara efektif untuk mencapai pembakaran sempurna, beberapa hal dibawah ini mesti diperhatikan. • Injeksi bahan bakar pada waktu yang tepat. • Jumlah bahan bakar yang digunakan sesuai untuk menghasilkan tenaga yang dibutuhkan. • Mencapai atomisasi bahan bakar -> pastikan bahwa bahan bakar tersemprot menjadi partikel/tetesan yang sangat kecil sehingga lebih mudah menguap dan menghasilkan pembakaran yang efisien. Hal ini dicapai dengan memastikan tekanan dari pompa ke injektor cukup. • Pencampuran -> pastikan bahwa bahan bakar yang telah menguap bercampur dengan oksigen dalam jumlah cukup sehingga dapat menginisiasi proses pembakaran. Sistem injeksi bahan bakar terdiri dari 2 bagian utama: • Kompenen tekanan rendah : Komponen ini berfungsi untuk mengirimkan bahan bakar dari tangki ke sistem injeksi bahan bakar. Termasuk dalam komponen ini : fuel tank, fuel supply pump, dan fuel filter. • Komponen tekanan tinggi : Komponen ini memberikan tekanan pada bahan bakar serta mengukur dan mengirimkan nya ke bilik pembakaran. Termasuk dalam komponen ini : high pressure pump, fuel injector, dan fuel injection nozzle . Pompa injeksi mengumpankan bahan bakar ke corong injeksi yang berada di kepala silinder. Jalur bahan bakar menghubungkan pompa dengan corong. Pompa sentral menggabungkan sejumlah plunger/barrel terpisah, dimana setiap plunger/barrel melayani satu injektor, sehingga mengkombinasikan fungsi pembangkitan tekanan tinggi dan fungsi pengukuran. Setiap corong memiliki katup jarum dan lubang untuk menghasilkan semprotan bahan bakar.  Gambar 1.3 komponen sistem injeksi bahan bakar Engine Diesel Menggunakan persamaan Bernoulli, dengan asumsi fluid tidak tak terkompresi dan aliran tunak (incompressible quasi-steady flow, didapatkan persamaan aliran massa total bahan bakar yang diinjeksikan kedalam ruang bakar adalah:  mf = aliran massa total bahan bakar (kg/s) pf = berat jenis fluida (kg/m3) cd = coefficent of discharge ∆p. = beda tekanan antara tekanan injeksi dari bahan bakar dengan tekanan udara yang mendorong bahan bakar (tekanan nozzle injektor vs tekanan plunger pump) (kPa) N. = Kecepatan rotasi engine (RPM) Dari persamaan tersebut, dapat disimpulkan bahwa tekanan injeksi ∆p berbanding lurus dengan kuadrat dari kecepatan rotasi engine. Sehingga agar engine dapat dioperasikan diberbagai nilai kecepatan rotasi, maka tekanan injeksi yang digunakan mesti bernilai besar.Hal ino dicapai dengan penggunaan pompa bahan bakar bertekanan tinggi. 1.3 TEORI PEMBAKARAN ( COMBUSTION ) Pembakaran antara campuran udara dengan bahan bakar di dalam silinder merupakan salaj satu proses yang mengontrol daya engine,efisiensi engine, dan emisi engine.Prose pembakaran adalah reaksi eksotermik pada fasa gas yang berlangsung cepat dimana oksigen adalah salah satu reaktannya. Flame atau api merupakan reaksi pembakaran yang dapat menjalar secara subsonik melalui ruang. Salah satu yang perlu diperhatikan dari api adalah pergerakannya relative terhadap gas yangh tidak terbakar. Ada nya pergerakan api ini menandakan reaksi yang terjadi terperangkap ada zona kecil yang ada dalam zona besar, dalam hal ini zona besar adalah ruang bakar engine. Secara umum, api dapat diklasifikasi berdasarkan komposisi reaktan saat masuk zona reaksi, karakteristik dari aliran, perubahan struktur dan pergerakan api terhadap waktu dan fasa awal dari reaktan. Berdasarkan komposisi reaktan saat masuk ke zona reaksi, api bisa diklasifikasikan sebagai premixed atau diffusion. Api premixed adalah api dimana campuran antara oxidizer dengan bahan bakar tercampur secara merata. Sebaliknya, api diffusion adalah api dimana reaktan tidak tercampur secara merata. Berdasarkan karakteristik dari aliran, yang dutandai dengan Reynold Number dari aliran yang terbakar, api diklasifikasikan sebagai laminar dan turbulen. Jika Reynold Number dari aliran tinggi maka ia turbulen dan jika rendah maka ia laminar. Berdasarkan perubahan terhadap waktu, api diklasifikasikan sebagai tunak jika tidak berubah dan tidak tunak jika berubah. Berdasarkan fasa awal dari reaktan, api diklasifikasikan sebagai gas, cair atau padat. Secara umum, api dari engine bersifat tidak tunak dan turbulen. Pada diesel engine, bahan bakar dikonversi dari fasa cair menjadi fasa uap teratomisasi melalui injektor dan diinjeksikan ke udara yang sudah dalam kondisi tekanan dan temperatur tinggi pada ujung dari kayuhan/langkah kompresi. Sehingga saat temperaturnya meningkat akibat kompresi, kondisi auto-ignition dimana terjadi pembakaran spontan antara campuran udara dengan bahan bakar yang telah melewati temperatur auto-ignition dapat terjadi. Proses pembakaran pada diesel engine terjadi secara heterogen dan dikontrol oleh laju pencampuran antara udara dengan bahan bakar. Fasa pembakaran ini dibagi tiga, yairu ignition delay, premixed combustion dan mixing-controlled combustion. Interval waktu antara mulainya injeksi/start of injection (SOI) dan mulainya pembakaran/start of combustion (SOC) disebut dengan ignition delay. Saat udara dengan bahan bakar yang sudah tercampur sempurna secara stoikiometris diinjeksikan ke ruang bakar pada temperature auto-ignition maka pembakaran pun terjadi secara spontan. Pembakaran ini disebut dengan premixed combustion. Jika bahan bakar tidak bercampur secara sempurna dengan udara sebelum terbakar maka terjadi fasa pembakaran berikutnya yaitu mixing controlled combustion dimana pembakaran terjadi pada setiap fraksi bahan bakar tergantung dari equivalence ratio dari fraksi bahan bakar tersebut. Kondisi pembakaran stokiometris adalah kondisi dimana oxidizer yang tersedia pada pembakaran berjumlah tepat sesuai yang dibutuhkan untuk membakar sempurna sejumlah tertentu bahan bakar. Campuran fuel-oxidizer dikatakan miskin (lean) apabila oxidizer yang ada melebihi jumlah yang dibutuhkan pada kondisi stikiometris, dan dikatakan kaya (rich) apabila jumlah oxidizer yang ada kurang dari kebutuhan oxidizer pada kondisi stokiometris. Reaksi pembakaran bahan bakar minyak dengan dengan udara pada kondisi stokiometris dapat dituliskan sebagai berikut:  Perbandingan massa udara dengan bahan bakar biasa disebut Air-Fuel Ratio (AFR) dan dirumuskan sebagai berikut:  Dimana: ma = massa udara mf = massa bahan bakar Equivalence Ratio (Φ) biasa digunakan untuk mengindikasikan secara kuantitatif apakah kondisi campuran fuel-oxidizer kaya atau miskin. Equivalence Ratio didefinisikan sebagai berikut:  Untuk campuran kaya maka Φ > 1 dan untuk campuran miskin maka Φ < 1, sedangkan untuk campuran stokiometris maka Φ = 1. Proses yang terjadi selama pembakaran dapat dilihat menggunakan lembaran laser. Parameter dari pembakaran yang dapat diobservasi adalah derajat setelah mulainya injeksi (After Start of Injection/ASI), pergerakan bahan bakar cair, campuran udara dengan bahan bakar, keberadaan dari hidrokarbon poliaromatik pada bahan bakar (PAH), api difusi dan pembentukan jelaga (soot), Secara skematik, hasil pembacaan lembaran laser tersebut digambarkan sebagai berikut:  Gambar 1.4 Ilustrasi Proses Pembakaran · Di 1 ASI bahan bakar cair diinjeksikan ke ruang bakar, dimana terjadi evaporasi akibat bertemunya bahan bakar cair dengan udara yang panas. Perhatikan bahwa panjang dari fasa cair bahan bakar relatif konstan selama proses injeksi. Dalamnya penetrasi bahan bakar cair bergantung pada volatilitas dari bahan bakar, ukuran lubang injektor serta temperatur udara dan bahan bakar di silinder ruang bakar. · Di 4 ASI vortex uap mulai terbentuk, dimana kepalanya adalah bahan bakar cair yang menguap. Pencampuran yang merata antara bahan bakar dengan udara terjadi di bagian kepala vortex dan memiliki batasan yang jelas dengan udara lain disekitarnya dengan Φ antara 2 dan 4. · Di 5 ASI, fasa premixed combustion dan premixed flame mulai terjadi di kepala vortex. Jelaga dan PAH mulai terbentuk akibat dari tingginya nilai Φ dari campuran pada saat pembakaran · Di 6.5 ASI terbentuk diffusion flame (api difusi) yang turbulen yang memulai transisi ke fasa mixing-controlled combustion dan pembakaran terjadi di kondisi stoikiometri. Jelaga yang terbentuk semakin banyak akibat dari resirkulasi gas di api difusi pada kepala vortex. · Di 8 ASI, tercapai kondisi tunak dari api pembakaran campuran udara dan bahan bakar dan pembakaran berada di fasa mixing-controlled combustion. Bahan bakar akan melalui bagian premixed dengan nilai Φ > 4 kemudian terbakar dalam api difusi turbulen. Sebagian besar dari jelaga terbakar bersama bahan bakar pada api difusi. Fraksi dari jelaga yang tidak terbakar menjadi emisi gas buang partikulat. NOx terbentuk di bagian api difusi dengan temperatur tinggi dimana terdapat oksigen dan nitrogen serta di bagian terpanas dari gas setelah pembakaran. 1.4 Teori Supercharging dan Turbocharging Daya maksimal yang dapat diproduksi oleh engine dibatasi oleh jumlah maksimal bahan bakar yang bisa dibakar secara efisien di dalam silinder engine. Pembakaran akan maksimal jika udara yang tersedia untuk proses pembakaran cukup secara stoikiometris. Namun kenyataannya, ada batasan jumlah udara yang masuk ke dalam silinder setiap siklusnya yang tidak selalu cukup secara stoikiometris. Untuk menyelesaikan permasalahan tersebut, densitas udara yang dihisap masuk perlu dinaikkan melebihi densitas udara terlebih dahulu sebelum masuk ke dalam silinder dengan cara ditambah tekanannya. Penambahan tekanan pada udara hisap sebelum masuk ke silinder guna menaikkan densitas dari udara hisap disebut sebagai supercharging. Ada 3 metoda yang dapat digunakan untuk mencapai supercharging. Metoda pertama adalah menggunakan energi mekanis dari daya yang dihasilkan engine untuk menggerakkan pompa, blower atau kompresor terpisah yang menyediakan udara bertekanan tersebut. Metode kedua adalah dengan turbo charging dimana sebuah turbocharger yang terdiri dari turbin dan kompresor pada shaft yang sama digunakan untuk meningkatkan densitas dari udara. Energi yang masih tersimpan dari aliran exhaust digunakan untuk menggerakkan turbin dan kompresor sehingga meningkatkan densitas udara sebelum masuk ke silinder. Metode terakhir adalah dengan menggunakan gelombang tekanan pada sistem masukan (intake) dan keluaran (exhaust) untuk menambah densitas dari udara sebelum masuk ke silinder. Turbin dari turbocharger digerakkan oleh energi yang tersisa pada exhaust. Energi pada exhaust tersebut secara ideal berasal dari kerja blowdown yang dihasilkan dari ekspansi tekanan gas di dalam silinder melalui bukaan exhaust valve hingga mencapai tekanan atmosfer dan kerja yang dilakukan piston untuk mengeluarkan gas buang setelah blowdown dilakukan. Adapun pendekatan yang dilakukan untuk memulihkan sebagian dari energi sisa dari exhaust yang tersedia dikenal sebagai pulsating turbocharging. Setiap exhaust port dikoneksikan menggunakan pipa kecil ke turbin sehingga energi kinetik dari exhaust blowdown dapat digunakan secara maksimal oleh turbin untuk menaikkan tekanan dan densitas dari udara yang akan masuk ke silinder. Referensi:
|
0 komentar:
Posting Komentar