Motor Diesel Shovel Loader Rotary sliding vane compressor c. Twin-screw rotary screw compressor

25

2.2 Motor Diesel Shovel Loader

Motor Diesel Shovel Loader ialah motor diesel yang digunakan sebagai penggerak kendaraan Shovel Loader Tipe S6D102-1. Shovel Loader adalah suatu alat yang digunakan untuk mengangkut beban, dimana beban tersebut diangkut dalam bucket. 2.4 Turbocarjer 2.4.1 Pengertian Turbocarjer Turbocarjer merupakan mekanisme untuk mensuplai udara dengan kerapatan yang melebihi kerapatan udara atmosfer ke dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompresi, sehingga daya motor akan meningkat. Turbocarjer pemakaiannya sangat efisien dimana energi yang digunakan untuk menggerakkan kompresor untuk menghisap udara masuk ruang bakar adalah berasal dari energi gas buang yang digunakan untuk menggerakkan turbin. Salah satu tujuan turbocarjer adalah untuk meningkatkan kerapatan udara yang akan dimasukkan ke dalam silinder mesin. Dengan meningkatnya kerapatan udara sehingga, akan lebih banyak bahan bakar yang terbakar dan menyebabkan peningkatan daya keluaran dari mesin yang diberikan volume langkah dari silinder. Universitas Sumatera Utara 26 Adapun skema instalasi sederhana daripada turbocarjer adalah sebagai berikut ini Gambar 2.1 Skema instalasi sederhana turbocarjer Sumber: httpwww.howstuffworks.comhow turbocharging works

2.4.2 Manfaat Pemakaian Turbocarjer

Adapun manfaat utama dari pemakaian turbocarjer pada motor diesel adalah sebagai berikut ini a. Memperbesar daya motor b. Mesin menjadi lebih kompak lagi pula ringan, maksudnya dengan memakai turbocarjer maka dapat mengurangi dari pada besarnya mesin itu sendiri. c. Dengan turbocarjer dapat bekerja lebih efisien, karena pemakaian bahan bakar spesifiknya lebih rendah. d. Dengan memakai turbocarjer maka proses pembakaran udara dan bahan bakar akan berjalan dengan sempurna sehingga emisi gas buang juga dapat dikurangi. Universitas Sumatera Utara 27 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 yang 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 berkurangnya kerapatan udara pada ketinggian yang lebih tinggi. Persoalan detonasi dapat diatasi dengan menggunakan bahan bakar dengan mempunyai nilai oktan yang lebih tinggi. Pada mobil balap yang lebih mementingkan daya dari pada efisiensi, banyak memakai turbocarjer. Pada motor diesel dengan turbocarjer dapat bekerja dengan efisiensi, pemakaian bahan bakar spesifik lebih rendah, khususnya pada unit lebih murah harganya. Keuntungan lain yang diperoleh dari motor diesel dengan turbocarjer adalah dapat mempersingkat periode persiapan pembakaran sehingga karakteristik pembakaran menjadi lebih baik. Disamping itu terbuka kemungkinan untuk menggunakan bahan bakar dengan bilangan setana yang lebih rendah. Karena turbocarjer dapat memasukkan udara yang lebih banyak, dapat diharapkan pembakaran menjadi lebih baik dan gas buangnya lebih bersih. Universitas Sumatera Utara 28

2.3.3 Klasifikasi Turbocarjer

Dalam prakteknya ada tiga metode pengoperasian turbocarjer yang dipergunakan untuk memanfaatkan energi yang berguna pada gas buang yaitu : a. Turbocarjer sistem tekanan konstan constant pressure system b. Turbocarjer sistem pulsa pulse system c. Turbocarjer sistem konverter- pulsa pulse-converter system

2.3.3.1 Turbocarjer sistem tekanan konstan constant pressure system

Pada sistem turbocarjer tekanan konstan ini adalah bertujuan untuk menjaga atau memelihara agar tekanan gas buang pada motor bakar dalam keadaan konstan dan tekanan yang dihasilkan lebih tinggi dari pada tekanan atmosfer sehingga turbin turbocarjer dapat beroperasi secara maksimum. Tujuan pembuatan saluran gas buang yang besar dan lebar adalah untuk menyerap tekanan yang tidak konstan dan oleh karenanya energi kinetik di dalam saluran gas buang harus dihilangkan. Gambar 2.2 Turbocarjer sistem tekanan konstan constant pressure system Sumber : Obert, Internal Combustion Engine and Air Polution,1973 Universitas Sumatera Utara 29 Keuntungan memakai turbocarjer pada metode tekanan konstan ialah : a. Efesiensi turbin yang tinggi selama aliran tetap steady flow b. Sangat efisien dan konsumsi bahan bakar yang ekonomis pada perbandingan tekanan kompresor dan turbin yang tinggi. Kerugian memakai turbocarjer pada metode tekanan konstan adalah : a. Tidak semua gas buang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin. b. Membutuhkan saluran gas buang yang besar. c. Performansi yang rendah pada putaran rendah dan berbeban. d. Asselerasi turbocarjer yang rendah.

2.3.3.2 Turbocarjer sistem pulsa pulse system

Turbocarjer sistem pulsa adalah bertujuan untuk menggunakan energi kinetik di dalam proses pembuangan gas buang blow down untuk menggerakkan turbin turbocarjer, yang secara idealnya tidak ada terjadi peningkatan tekanan gas buang. Untuk mencapai tujuan tersebut saluran buang yang segaris haruslah lebih kecil. Gambar 2.3 Turbocarjer sistem pulsa pulse system Sumber : Obert, Internal Combustion Engine and Air Polution,1973 Universitas Sumatera Utara 30 Keuntungan memakai turbocarjer dengan sistem pulsa ini adalah : a. Sebagian besar energi gas buang dapat digunakan langsung. b. Menghasilkan percepatan putaran mesin yang responsif terhadap pembebanan tiba-tiba. c. Dapat menggunakan saluran gas buang yang lebih pendek dan kecil. d. Asselerasi turbocarjer yang tinggi. e. Performansi yang tinggi pada putaran rendah dan berbeban. f. Energi gas buang yang berguna tinggi pada turbin Kerugiannya memakai turbocarjer dengan sistem pulsa ini adalah : a. Pemanfaatan energi gas buang tidak efektif. b. Efesiensi turbin yang rendah. c. Saluran buang yang rumit dengan jumlah silinder yang banyak.

2.3.3.3 Turbocarjer sistem konverter-pulsa pulse-converter system

Pada turbocarjer sistem konverter pulsa ini bertujuan untuk mengubah energi kinetik di dalam proses pembuangan menjadi peningkatan tekanan pada turbin dengan membuat satu atau lebih diffuser. Gambar 2.4 Turbocarjer sistem konverter- pulsa pulse-converter system Sumber : Obert, Internal Combustion Engine and Air Polution, 1973 Universitas Sumatera Utara 31 Keuntungan memakai turbocarjer sistem konverter-pulsa adalah performansi mesin yang tinggi, sedangkan kerugiannya adalah performansi yang rendah pada putaran rendah dan tinggi dan hanya untuk mesin dengan jumlah silinder tertentu empat, delapan dan enam belas. Secara umum, motor diesel berukuran besar seperti automotif, truk, dan mesin industri biasanya menggunakan turbocarjer sistem pulsa pulse system . Pada perencanaan ini penulis merencanakan turbocarjer sistem pulsa.

2.3.4 Bagian-Bagian Utama Turbocarjer

Bagian utama turbocarjer terdiri dari sebuah turbin gas dan sebuah kompresor. Gambar 2.5 ini merupakan gambar dari assembling turbocarjer yang telah dilepas bagian-bagiannya. Gambar 2.5 Bagian-bagian assembling turbocarjer Sumber : http www.google.com turbocharger Universitas Sumatera Utara 32 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 Universitas Sumatera Utara 33

2.3.4.1 Turbin

Turbin turbocarjer digerakkan oleh energi berguna yang dikandung oleh gas buang. Aliran gas buang dari hasil pembakaran bahan bakar dari dalam ruang bakar menggerakkan sudu-sudu turbin, diserap energinya dan diubah menjadi bentuk energi mekanis ini merupakan daya poros pada turbin yang dipergunakan untuk menggerakkan kompresor Berdasarkan arah aliran fluida, ada dua tipe turbin yang digunakan pada turbocarjer, yaitu aliran radial aliran masuk dan turbin gas aliran aksial. Turbin radial aliran masuk banyak dipakai dalam ukuran kecil, di dalam bidang transportasi pada motor bensin dan diesel yang menggunakan menggunakan turbocarjer, di bidang penerbangan digunakan pada unit helikopter yang berguna pada saat start awal. Keuntungan utama turbin gas radial aliran masuk adalah kerja yang dihasilkan oleh sebuah tingkat tunggal turbin adalah sama dengan dua atau lebih di 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 ∼ u 2 sehingga kerja lebih besar dibandingkan turbin aksial tingkat tunggal. Turbin gas radial aliran masuk mempunyai keuntungan lainnya harga biayanya lebih rendah dibandingkan dari pada turbin gas aksial, hal tersebutlah yang menjadikan 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 Universitas Sumatera Utara 34 Turbin gas radial aliran masuk kantilever tidak menggunakan sudut aliran masuk secara radial, pada jenis turbin kantilever ini tidak terjadi percepatan melalui rotor. Jenis kantilever jarang digunakan karena efesiensinya rendah pada dan juga proses pembuatannya yang sulit. Gambar 2.6 Turbin gas radial aliran masuk kantilever Sumber : Boyce, Gas Turbine Engineering Handbook, 2002 Kontruksi dan segitiga kecepatan yang dibentuk oleh turbin gas radial aliran masuk kantilever dapat dilihat pada gambar 2.7 berikut ini Gambar 2.7 Susunan dan diagram segitiga kecepatan dari turbin radial tipe kantilever Sumber : Dixon, Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery,1998 Universitas Sumatera Utara 35 Gambar 2.8 Turbin gas radial aliran masuk campur Sumber : Boyce, Gas Turbine Engineering Handbook, 2002 Sedangkan untuk kontruksi dan segitiga kecepatan yang dibentuk oleh turbin gas radial aliran masuk campur dapat dilihat pada gambar berikut ini Gambar 2.9 Susunan dan diagram segitiga kecepatan dari turbin radial aliran masuk campur 90 degree IFR Sumber : Dixon, Fluid Mechanics, Thermodynamics of Turbomachinery,1998 Atas pertimbangan tersebut maka dalam perancangan ini jenis turbin yang direncanakan adalah jenis turbin radial aliran masuk campur 90 degree IFR. Universitas Sumatera Utara 36

2.3.4.2 Kompresor

Kompresor pada turbocarjer berfungsi untuk memampatkan udara dari udara atmosfer, 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 discplacement. a. Kompresor Positif positive discplacement Kompresor ini tersedia dalam dua jenis reciprocating dan putarrotary. 1. Komprosor Reciprocating Kompresor reciprocating adalah kompresor yang menghasilkan udara bertekanan akibat adanya gerak naik turun piston dalam silinder. Kompresor reciprocating tersedia dalam berbagai konfigurasi, terdapat empat jenis yang paling banyak digunakan yaitu horizontal, vertikal dan , horizontal berlawanan balance-opposed. Gambar 2.10 Kompresor Tipe V Sumber : Hatto, Compressor Type, 1984 Universitas Sumatera Utara 37 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 sampai 200 hp atau 22 sampai 150 kW. a b c d Gambar 2.11 Kompresor Rotary, terdiri dari a. Roots Compressor

b. Rotary sliding vane compressor c. Twin-screw rotary screw compressor

d. Single-screw rotary screw compressor Sumber : Hatto, Compressor Type, 1984 Universitas Sumatera Utara 38 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 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 perbandingan tekanan keseluruhan yang diinginkan. Gambar 2.12 Kompresor Aksial Sumber : Hatto, Compressor Type, 1984 Universitas Sumatera Utara 39 2. Kompresor Sentrifugal Dalam permesinan, yang mana juga disebut sebagai turbo-blowers atau turbo-compressors, satu atau lebih impeller dirotasikan pada kecepatan yang tinggi di dalam sebuah rumah kompresor. Udara yang terlempar masuk ke dalam pusat dari 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 mengubah energi kinetik udara yang mengalir melewati impeller menjadi energi tekanan. Gambar 2.13 Kompresor Sentrifugal Sumber : Hatto, Compressor Type, 1984 Universitas Sumatera Utara 40 Untuk menentukan jenis perencanaan kompresor untuk turbocarger dibutuhkan beberapa perbandingan-perbandingan yang secara umum, seperti yang terdapat pada tabel 2.1 berikut ini Tabel 2.1 Perbandingan umum untuk beberapa jenis kompresor Item Reciprocating Vane compressor Screw compressor Centrifugal compressor Efesiensi pada beban penuh Tinggi Medium-tinggi Tinggi Tinggi Efesiensi pada beban sebagian Tinggi karena bertahap-tahap Buruk Buruk Buruk Efesiansi tanpa beban Tinggi 10 - 25 Medium 30- 40 Tinggi-buruk 25-60 Tinggi Medium 20 -30 Tingkat kebisingan Bising Tenang Tenang jika tertutup Tenang Ukuran Besar Kompak Kompak Kompak Penggantian minyak pelumas Sedang Rendah- medium Rendah Rendah Getaran Tinggi Hampir tidak ada Hampir tidak ada Hampir tidak ada Perawatan Banyak bagian peralatan yang dipakai Sedikit bagian peralatan yang dipakai Sangat sedikit peralatan yang dipakai Sensitif terhadapdebu dan udara Kapasitas Rendah-tinggi Rendah- medium Rendah-tinggi Medium-tinggi Tekanan Medium- sangat tinggi Medium-tinggi Medium- tinggi Medium-tinggi Sumber : httpwww.google.comKompresor dan sistem udara tekan Universitas Sumatera Utara 41 Berdasarkan pertimbangan di atas, maka dipilihlah jenis kompresor sentrifugal, hal ini dikarenakan kompresor ini memiliki kapasitas yang relatif tinggi. Alasan lain pemilihan kompresor sentrifugal karena ruangan yang dibutuhkan lebih kecil, dapat bekerja dengan putaran tinggi, tekanan yang dihasilkan tinggi serta dapat langsung dikopel dengan poros motor penggerak yaitu poros turbin.

2.4 Siklus Termodinamika Motor Diesel dengan Turbocarjer