Mekanisme kontrol pengisian silinder pada mesin diesel (sistem udara)

Mekanisme kontrol pengisian silinder pada mesin diesel (sistem udara) - Pada mesin diesel berlangsungnya pembakaran di ruangan bakar (ruangan silinder) karena ada bahan bakar yang diinjeksikan, oksigen/udara bersih yang masuk ke ruangan bakar, dan sumber nyala/panas yang diperoleh dari pemampatan yang dilakukan oleh piston dengan penekanan yang tinggi.

Pada konsepnya, makin banyak oksigen/udara bersih yang masuk di ruangan bakar (ruangan silinder), karena itu makin besar jumlah bahan bakar yang bisa diinjeksi kan untuk beban penuh.

Pada kesempatan ini, kita akan mengulas  mekanisme yang mempunyai peranan penting dalam berlangsungnya proses pembakaran, yakni. Mekanisme kontrol pengisian silinder pada mesin diesel (sistem udara) yang mempunyai pekerjaan untuk mengkondisikan udara masuk dan memastikan kalau silinder terisi secara benar. Mekanisme kontrol pengisian silinder terbagi dalam elemen berikut ini:

• Air filter (1)
• Swirl flaps (5)
• Turbocharger/supercharger (2)
• Exhaust-gas recirculation sistem (4)

Gambar 1. Mekanisme kontrol pengisian silinder pada mesin diesel (sistem udara)

Penyaring udara

Penyaring udara berperan sebagai penyaring kotoran (debu), dan partikel kecil, agar tidak masuk ke ruangan bakar, dan oli mesin. dengan begitu bisa mengurangi keausan pada elemen seperti bantalan, ring piston, dan dinding silinder.

Design element penyaring udara direncanakan secara individu untuk tiap mesin. Komponen filter yang kemungkinan berupa segi panjang atau silinder, Biasanya berbasiskan serat selulosa. Komponen filter harus ditukar pada jeda yang ditetapkan oleh pabrikasi kendaraan (untuk mobil, tiap dua sampai empat atau, dalam beberapa kasus, bahkan juga tiap 6 tahun, yakni tiap 40.000 sampai 60.000 km atau tiap 90.000 km.

Gambar 2. filter udara

Swirl flaps

Swirl flaps ialah perlengkapan mekanis katup yang bisa terbuka, dan tertutup yang di kontrol lewat engine kontrol unit sesuai dengan beragam syarat operasionalisasi. Istilah "swirl" merujuk pada pergerakan melingkar dari udara masuk di dalam silinder. Pergerakan berputar-putar itu memungkinkannya terwujudnya pencampuran bahan bakar dan udara yang lebih bagus.

Swirl flaps di pasang pada tipe mesin 4 langkah dengan tipe ruangan bakar DI (direct injection) yang mempunyai 4 formasi valve salah satunya: 2 valve intake, dan 2 valve exhaust.

Status peletakan swirl flaps ada di masing-masing silinder di salah satunya valve intake, dan satu valve intake yang lain tidak diperlengkapi dengan swirl flaps.

Dalam contoh yang diperlihatkan pada Gambar 3A. ketika perputaran mesin rendah, pada satu valve intake lajur udara masuk  ditutup oleh flap (6). Hingga bisa hasilkan tingkat pergerakan yang besar di salah satunya valve intake yang tidak diperlengkapi dengan flap (penutup).

Gambar 3 B, Pada kecepatan tinggi, flap terbuka, memungkinkannya saluran udara tanpa batasan lewat port intake (5). Ini memiliki arti jika muatan silinder dan output tenaga mesin bertambah pada perputaran mesin yang semakin tinggi.

Swirl flpas"intake-port shutoff" semacam itu sekarang ini dipakai pada beberapa mesin mobil, untuk mesin diesel skala besar swirl flpas di hilangkan, dan cuman memakai supercharger/turbocharger.

Gambar 3. (A) swirl flaps off, (B) swirl flaps open 

Turbocharging

Turbocharger yang digerakkan oleh gas buang ialah yang terbanyak dipakai pada mesin diesel untuk mobil dan kendaraan komersil dan pada mesin kapal besar, lokomotif dan pada truck pekerjaan berat, dengan memakai turbocharging memungkinkannya bahkan juga mesin berkapasitas kecil untuk capai torsi tinggi dan output daya dengan tingkat efektivitas mesin yang bagus. Gambar 4 di bawah ini sebagai Turbocharger dengan geometri turbin variabel.

Gambar 4. Turbocharger dengan geometri turbin variabel

Sistem operasi dan Design

Sistem operasi

Rugi energi yang serius di mesin pembakaran intern ialah gas buang yang tercipta dari tersisa pembakaran. Oleh karenanya, logis untuk manfaatkan beberapa energi itu untuk hasilkan penekanan di intake manifold.

Turbocharger (Gambar 5) ialah gabungan dari 2 piranti saluran fluida: udara masuk dan gas buang.

• turbin (7) digerakkan oleh saluran gas buang, dan
• kompresor (2) yang dikopel langsung dengan turbin melalui poros (11) dan yang memampatkan/mengisap udara untuk diarahkan masuk.

Gas buang yang tercipta dari tersisa pembakaran akan keluar di tiap silinder lewat lubang valve exhaust, sesudah itu saluran gas buang akan masuk (10) ke turbin housing (6) untuk memutar turbin (7) pada kecepatan tinggi (pada mesin diesel perputaran turbin sampai 200.000 rpm). Design bilah turbin yang mempunyai arah radial mengarahkan gas buang ke luar (8).

Karena compressor sentrifugal (2) di kopel oleh kutub penyambung turbin (11), hingga compressor ikut juga berputar-putar berbarengan dengan turbin. Namun design bilah compressor berlawan dengan turbin, sehingga saat compressor sentrifugal berputar akan menarik/mengisap udara masuk (3). Udara yang terserap akan di tujukan ke lajur kompresi intake (4) untuk di turunkan/di dinginkan suhu udara nya oleh intercooler/aftercooler, saat sebelum udara itu dimasukkan pada ruangan bakar.

Gambar 5. metode operasi turbocharger

Design

Mesin harus sanggup hasilkan torsi tinggi bahkan juga pada kecepatan rendah. Oleh karenanya, turbocharger dirancang untuk pergerakan saluran massa gas buang yang rendah (misalkan beban penuh pada perputaran mesin ≤ 1.800 rpm). Untuk menghindari turbocharger memberatkan mesin pada pergerakan saluran massa gas buang yang semakin tinggi, penekanan turbocharger harus dikendalikan. Ada tiga design turbocharger yang bisa capai ini:

• wastegate turbocharger.
• variable-turbine-geometry turbocharger.
• variable-inlet-valve turbocharger.

Turbocharger wastegate

Turbocharger wastegate (Gambar 6) Pada kecepatan atau beban mesin yang semakin tinggi, beberapa saluran gas buang diarahkan melalui turbin oleh katup bypass "wastegate" (5). Ini mengurangi aliran gas buang yang melalui turbin dan turunkan penekanan balik gas buang, hingga mencegah kecepatan turbocharger yang terlalu berlebih.

Gambar 6. turbocharger dengan wastegate

Pada kecepatan atau beban mesin rendah, katup bypass (wastegate) tutup dan semua saluran gas buang menggerakan turbin.

Wastegate dioperasionalkan oleh aktuator penekanan muatan elektro-pneumatic (1). Aktuator itu dioperasionalkan secara elektrik Katup 3/2 arah yang tersambung ke pompa vakum (2). Dalam status netral (de-energized) memungkinkannya penekanan atmosfer bekerja pada aktuator penekanan (3). Pegas di aktuator penekanan membuka wastegate. Bila arus diberikan ke aktuator penekanan oleh unit kontrol mesin, itu akan buka hubungan di antara aktuator penekanan dan pompa vakum hingga diafragma ditarik kembali melawan aksi pegas. Wastegate tutup dan kecepatan turbocharger bertambah.

Turbocharger dibuat sebegitu rupa sehingga wastegate akan tetap terbuka bila mekanisme kontrol alami ketidakberhasilan. Ini menegaskan bahwa, pada perputaran mesin tinggi, penekanan turbocharger terlalu berlebih yang bisa menghancurkan mesin atau turbocharger tersebut bisa ditangani.

Variable-turbine-geometry (VTG)

Variable-turbine-geometry (VTG) turbocharger (Gambar 7) Memvariasikan pergerakan saluran gas lewat turbin dengan memakai geometri turbin variabel (VTG) ialah sistem lain di mana pergerakan saluran gas buang bisa terbatasi pada kecepatan mesin tinggi. Bilah deflektor yang bisa disetel (3) mengganti ukuran celah yang dilewati saluran gas buang untuk capai turbin (macam geometri). Dengan begitu, design ini sesuaikan penekanan gas buang yang bekerja pada turbin sebagai tanggapan pada penekanan turbocharger yang dibutuhkan.

Pada kecepatan atau beban mesin rendah, bilah deflektor buka celah kecil untuk gas buang lewat. maka penekanan balik gas buang bertambah. Dengan bertambahnya saluran gas buang karena itu kecepatan pemutaran turbin akan bertambah ke perputaran yang semakin tinggi (a). Disamping itu, saluran gas buang diarahkan ke ujung luar bilah turbin. Ini akan hasilkan semakin banyak daya angkat agar bisa hasilkan torsi yang semakin besar pada keadaan beban mesin rendah.

Pada kecepatan atau beban mesin yang tinggi, bilah deflektor buka sela yang semakin besar untuk menyalurkan gas buang hingga kecepatan saluran jadi lebih rendah (b). Mengakibatkan, turbocharger berputar-putar lebih lamban karena penekanan turbocharger terbatasi. Dengan langkah ini bisa menghindar kerusakan mesin atau elemen turbocharger.

Gambar 7. variabel turbine geometry of vtg turbocharger

Sudut bilah deflektor disetel sangat simpel dengan memutar cincin penyetel (2). Ini mengendalikan bilah deflektor ke sudut yang diharapkan dengan menjalankan nya baik dengan cara langsung memakai tuas penyetel (4) yang dipasang pada bilah atau otomatis lewat cam penyetel. Cincin penyetel dioperasikan oleh aktuator pneumatic (5) di mana penekanan positif atau negatif diterapkan, atau sebagai alternative oleh motor listrik dengan umpan balik (sensor status). Unit kontrol mesin mengatur aktuator. Dengan begitu, penekanan turbocharger bisa disamakan ke penataan maksimal sebagai tanggapan pada beragam variabel input. Turbocharger VTG terbuka penuh dalam status netral dan oleh karenanya secara mekanisme aman, yakni bila mekanisme kontrol tidak berhasil, baik turbocharger atau mesin tidak alami kerusakan. sebagai akibatnya, Cuman ada kehilangan tenaga pada perputaran mesin rendah. Design Variable-turbine-geometry (VTG) turbocharger yang terbanyak dipakai pada mesin diesel sekarang ini.

Variable-intake-valve turbocharger

Variable-intake-valve turbocharger (Gambar 6) dipakai pada mesin mobil kecil. Pada tipe turbocharger ini, katup geser masuk (4) mengubah penampang saluran masuk ke turbin dengan buka salah satunya atau ke-2 lubang masuk (2, 3).

Pada kecepatan atau beban engine rendah, hanya satu port intake yang terbuka (2). Bukaan aliran masuk yang kecil hasilkan penekanan balik gas buang yang tinggi digabungkan dengan kecepatan saluran gas buang yang tinggi, dan mengakibatkan kecepatan pemutaran tinggi di bagian turbin (1).

Saat penekanan turbocharger yang dibutuhkan terwujud, katup masuk dengan bertahap membuka port masuk kedua (3). Hingga kecepatan saluran gas buang akan kurangi kecepatan turbin dan penekanan turbocharger secara bertahap menyusut.

Modul unit kontrol mesin mengatur penataan katup lewat aktuator pneumatic. Ada pula aliran bypass (5) yang terpadu di rumah turbin hingga sebagian besar saluran gas buang bisa diarahkan melalui turbin untuk memperoleh penekanan turbocharger yang paling rendah.

Gambar 6. variabel intake valve trubocharger

Supercharging

Supercharger terbagi dalam compressor yang digerakkan langsung oleh mesin. Mesin dan compressor biasanya tersambung dengan belt atau gears, mis. oleh mekanisme pendorong sabuk. Dibanding dengan turbocharger, supercharger jarang-jarang dipakai pada mesin diesel.

Supercharger perpindahan positif

Tipe supercharger yang umum ialah supercharger perpindahan positif. Ini dipakai khususnya pada mesin mobil kecil dan menengah. Berikut tipe supercharger yang dipakai pada mesin diesel:

Supercharger perpindahan positif dengan kompresi intern

Dengan tipe supercharger, udara dikompresi dalam compressor. Tipe yang dipakai pada mesin diesel ialah Supercharger piston bolak-balik dan supercharger baling-baling heliks.

Supercharger piston bolak-balik: Type ini mempunyai piston (Gambar 7) yang tersambung dengan drive shaft atau diafragma (Gambar 8). Piston (serupa dengan piston mesin) memampatkan udara yang selanjutnya melewati katup keluar ke silinder mesin.

Gambar 7. supercharger type piston

Gambar 8. supercharger type diaphragma

Supercharger baling-baling heliks (gambar 9): Dua baling-baling heliks yang sama-sama terhubung (4) memampatkan udara.

Gambar 9. supercharger baling-baling helix

Supercharger perpindahan positif tanpa kompresi intern

pada gambar di atas dengan tipe supercharger ini, udara dikompresi di luar supercharger oleh tindakan saluran fluida yang dibuat. Salah satu contoh tipe ini yang dipakai pada mesin diesel ialah supercharger Rootes (Gambar 10) yang terpasang pada beberapa mesin diesel dua langkah.

Gambar 10. supercharger Rootes

Rootes supercharger: Dua baling-baling putar kontra-rotasi (2) yang disambungkan oleh roda gigi berputar dalam contact keduanya secara serupa dengan pompa roda gigi dan melalui cara itu  udara masuk di mampatkan/ditekan.

Centrifugal supercharger

Disamping supercharger perpindahan positif, ada pula supercharger sentrifugal (compressor saluran sentrifugal) yang compressor nya serupa sama yang berada di turbocharger. Untuk memperoleh kecepatan tinggi yang dibutuhkan, mereka digerakkan lewat mekanisme roda gigi. 

Tipe supercharger ini tawarkan efektivitas volumetrik yang bagus pada beragam kecepatan dan bisa disaksikan sebagai alternative turbocharger untuk mesin kecil. Turbocharger sentrifugal jarang-jarang dipakai pada mesin mobil memiliki ukuran sedang atau semakin besar.

Controlling supercharger pressure

Penekanan yang dibuat oleh supercharger bisa dikendalikan lewat bypass. Beberapa dari saluran udara terkompresi masuk silinder dan tentukan muatan silinder. Bekasnya mengucur lewat bypass dan dibalikkan ke sisi intake. Katup bypass dikontrol oleh unit kontrol mesin.

Intercooling

Pada proses udara di kompresi oleh turbocharger, penekanan udara akan bertambah bertepatan dengan naiknya suhu udara (sampai 180°C). oleh karenanya, intercooler dipakai untuk kurangi suhu udara terkompresi, saat sebelum dimasukkan ke ruangan bakar.

Udara panas mempunyai volume kepadatan yang kurang, dibanding udara dingin. Maka dari itu, proses pendinginan udara yang sudah dilakukan oleh intercooler menolong untuk tingkatkan kepadatan udara. Ini memiliki arti jika semakin banyak oksigen yang ada untuk pembakaran, maka bisa hasilkan torsi maksimal yang semakin tinggi, dan output daya yang semakin besar.

Temperatur yang lebih rendah dari udara yang masuk ke silinder mengurangi temperatur yang dibuat sepanjang langkah kompresi. Ini mempunyai beberapa keuntungan:

• Efisiensi termal yang semakin besar dan oleh karenanya konsumsi bahan bakar yang hemat.

• Mengurangi kecondongan ketukan di bagian mesin bensin.

• Tekanan termal yang lebih rendah pada block/kepala silinder.

• Sedikit pengurangan emisi NOx sebagai akibatnya karena temperatur pembakaran yang lebih rendah

Exhaust gas recirculation (EGR)

Sesudah pembakaran, selalu ada beberapa gas yang terbakar yang tersisa di dalam silinder (resirkulasi gas buang intern). Ukuran pembagian itu bisa ditetapkan dengan menyengaja oleh valve timing. Disamping itu, semakin banyak gas buang bisa diarahkan dari mekanisme pembuangan lewat katup resirkulasi gas buang dan dibalikkan (lewat pendingin gas buang resirkulasi bila dibutuhkan) ke segi masuk mesin (resirkulasi gas buang external). Terkadang dikatakan sebagai EGR (exhaust gas recirculation), proses ini sebagai sistem yang bermanfaat untuk kurangi emisi NOx. Dampak pengurangan NOx dari resirkulasi gas buang didasari pada tiga proses:

• Pengurangan konsentrasi oksigen di ruangan bakar.

• Pengurangan jumlah gas buang yang dikeluarkan, dan

• Pengurangan temperatur berdasar kemampuan termal yang semakin besar.

Resirkulasi gas buang yang didinginkan benar-benar efisien. Tingkat resirkulasi bisa capai 50% pada mobil dan 5...25% untuk kendaraan komersil. Tambahan gas buang resirkulasi ke muatan silinder kurangi kandungan oksigen nya. Bila kebanyakan gas buang yang diumpan kan kembali ke silinder, tingkat emisi yang terjadi karena minimnya udara (CO, HC dan jelaga) bertambah. Konsumsi bahan bakar bertambah bila kebanyakan gas buang yang disirkulasi ulang. Oleh karenanya, pengawasan dan pengaturan resirkulasi gas buang yang pas sebagai keperluan mutlak.

Resirkulasi gas buang dikontrol oleh katup resirkulasi gas buang (katup EGR). Dalam setting netral nya, dia menutup aliran yang menyambungkan mekanisme gas buang pada bagian hilir turbin turbocharger ke mekanisme konsumsi pada bagian hulu compressor turbocharger.

Katup EGR dikontrol oleh unit kontrol engine sebagai tanggapan pada kecepatan dan beban engine. Untuk membikin katup EGR bekerja secara tepat, dia harus direncanakan supaya tahan pada pengendapan.

Exhaust-gas recirculation untuk mobil

Resirkulasi gas buang pertama kalinya dikenalkan pada mobil pada 1970-an. Hari ini dipakai pada mayoritas mesin diesel mobil. Sesuai syarat Undang-Undang, resirkulasi gas buang pada mobil cuman dipakai dalam kecepatan/daya yang lebih rendah. Pada beban rendah, ada selalu ketidaksamaan penekanan di antara penekanan balik gas buang dan penekanan turbocharger (turbocharger dengan wastegate atau geometri turbin variabel) untuk resirkulasi gas buang. Oleh karenanya, gas buang bisa disirkulasi kan kembali lewat katup.

Exhaust-gas recirculation di kendaraan komersil

Pada kondisi normal, pada beban tinggi, penekanan balik gas buang pada bagian hilir turbin turbocharger pada kendaraan komersil lebih rendah dibanding penekanan turbocharger pada bagian hulu compressor turbocharger dan intercooler. Untuk argumen ini, untuk memengaruhi resirkulasi gas buang, turbocharger harus diubah sesuai atau turbocharger VTG yang bisa hasilkan ketidaksamaan penekanan negatif yang dibutuhkan harus dipakai.

Peluang lain ialah katup flutter yang terbuka setiap penekanan di knalpot semakin besar dibanding di aliran masuk hingga knalpot bersirkulasi ulang. Ini bisa terjadi pada beban tinggi setiap pulsa penekanan dibikin oleh langkah buang silinder. Tetapi alternative lain ialah pemakaian tabung venturi yang bisa disamakan (penekanan lebih rendah di titik persempitan) di bypass ke konsumsi udara. Resirkulasi gas buang bisa dikendalikan berdasar massa udara diferensial memakai pengukuran saluran massa udara untuk (mobil), sensor lambda atau signal dari sensor penekanan diferensial pada venturi untuk (kendaraan komersil).