Sistem Udara di Alat Berat

Pendahuluan

Kerja engine diesel yang effisien memerlukan jumlah udara yang tepat pada ruang pembakaran dan gas buang dapat keluar dengan hambatan yang minimal. Suhu udara masuk dan gas buang yang keluar juga merupakan hal yang penting pada performa dan usia pakai engine.

Gambar Jenis Sistem Pemasukan Udara 

Sistem Pemasukan Udara Engine Diese

System pemasukan udara engine terbagi menjadi beberapa jenis yaitu:

1.     Natural aspirated

2.     Turbocharger

Engine yang menggunakan turbocharger terbagi menjadi dua jenis yaitu:

1.     Turbocharger

2.     Turbocharger aftercooler

Aftercooler yang dipergunakan turbocharger engine terdiri dari:

1.     Air to air aftercooler

2.     Jacket water aftercooler

3.     Separate circuit aftercooler

Natural aspirated merupakan system pemasukan udara kedalam ruang bakar secara alamiah. Hisapan piston saat langkah intake mengakibatkan udara luar mengalir melewati precleaner, air cleaner, intake manifold karena terjadi kevakuman diruang bakar. Apabila terjadi hambatan pada air cleaner dan system intake, kerapatan udara yang dihisap menjadi sangat rendah dibanding kerapatan udara atmosfer. Karena jumlah udara terbatas maka bahan bakar yang diinjeksikan juga terbatas sehingga tenaga yang dihasilkan juga terbatas.

Komponen-Komponen Sistem Pemasukan Udara

Untuk melakukan pekerjaan dan perbaikan pada sistem udara pada engine, maka penting untuk memahami aliran udara melalui sistem dan fungsi tiap komponen. Juga penting untuk memahami bentuk komponen tersebut dan bagaimana cara bekerjanya.

                  Gambar  Komponen Dasar Air Induction System

Sistem pemasukan udara dan pembuangan gas buang yang umum yaitu precleaner (1), air filter (2), turbocharger (3), intake manifold (4), aftercooler (5), exhaust manifold (6), exhaust stack (7), muffler dan connecting pipes (8).

Precleaner

Pada beberapa engine juga dilengkapi dengan precleaner. Precleaner terletak pada lokasi sebelum udara memasuki air cleaner. Tujuan penggunaan precleaner adalah untuk menyaring partikel debu atau kotoran yang lebih besar sebelum memasuki air cleaner. Hal ini akan meningkatkan usia pakai air cleaner.

Gambar  Cyclone Tube Exhaust Dust Ejected Pre- cleaner

Jenis precleaner yang paling sederhana adalah Cyclone Tube Exhaust Dust Ejected Pre- cleaner pada bagian atas sisi masuk air filter housing.

Gambar 4 Spirally Vaned Drum

Precleaner jenis lain yang digunakan pada peralatan adalah spirally vaned drum. Vane (sudu) menyebabkan udara masuk berputar. Mengingat debu pada udara yang akan masuk lebih berat dari udara, debu akan terpental ke luar karena pergerakkan puntiran/putaran. Kemudian debu akan jatuh dan terkumpul pada mangkuk pengumpul debu di bagian bawah. Precleaner harus diperiksa dan dikosongkan secara berkala.

Air Cleaner

Udara memasuki engine melalui air cleaner. Pada air cleaner terdapat elemen penyaring yang akan memisahkan material debu pada udara sebelum memasuki engine. Terdapat beberapa jenis air cleaner yang saat ini tersedia untuk engine .

Gambar Air Cleaner

Air cleaner engine harus dirawat secara berkala. Pada beberapa air cleaner dilengkapi dengan service indicator (penunjuk perawatan). Indikator ini memantau besarnya hambatan melalui air cleaner sehingga bisa diketahui apabila filter tersumbat.

Gambar Service Indicator

Service indicator merupakan metode yang paling akurat untuk menentukan kapan air cleaner harus dibersihkan. Air cleaner harus dibersihkan atau diganti apabila diafragma warna kuning memasuki area merah atau piston warna merah terlihat.

Gambar  Dry Element Air Cleaner

Dry element air cleaner (pembersih udara yang kering) merupakan jenis air cleaner yang umum digunakan pada engine . Cleaner jenis ini dibat dari lipatan kertas yang digunakan untuk menyaring debu pada udara yang akan masuk ke engine.

Air filter jenis ini memerlukan penggantian atau pembersihan apabila service indicator-nya telah menunjukkan warna merah.

Gambar  Membersihkan Dry Element

Dry element air cleaner biasanya dibersihkan dengan menggunakan udara kering yang tersaring dengan tekanan maksimum 270 kPa (30 psi). Elemen harus dibersihkan/disemprot dari arah dalam ke luar, dan cara memegang penyemprot sejajar dengan lipatan kertas air cleaner.

Gambar AIRSEP^® Filter

Jenis lain air cleaner yang digunakan pada engine , terutama untuk aplikasi marine (kapal laut) performa tinggi, adalah AIRSEP^®. Air cleaner jenis ini terbuat dari lipatan fiber penyaring yang dilapisi dengan fluida khusus. Ini memungkinkan elemen AIRSEP mengalirkan udara dalam volume yang banyak dengan hambatan yang kecil, tetapi masih dapat membersihkan udara sebelum memasuki engine. Elemen-elemen ini dapat dipakai ulang, namun memerlukan prosedur perawatan khusus.

Turbocharger

Beberapa engine diesel dilengkapi dengan turbocharger untuk meningkatkan performa dan effisiensi engine. Turbocharger menerima aliran udara yang telah dibersihkan oleh air cleaner. Putaran compressor pada turbocharger mengisap udara untuk masuk, dan menekan dan mengalirkannya menuju cylinder.

Gambar  Turbocharger

Gambar Keuntungan Menggunakan Turbocharger

Keuntungan Menggunakan Turbocharger

Keuntungan menggunakan Turbocharger antara lain:

1. Tenaga. Udara bertekanan memiliki lebih banyak oksigen per satuan volume. Dengan lebih banyak oksigen pada cylinder maka lebih banyak juga bahan bakar yang dapat disemprotkan untuk dapat menghasilkan tenaga yang lebih besar.

2. Effisiensi. Proses penekanan dengan jumlah udara yang lebih mencukupi menghasilkan effisiensi pembakaran lebih tinggi sehingga akan menurunkan emisi dan konsumsi bahan bakar yang lebih bagus.

Gambar Cara Kerja Turbo Charger

Pada saat turbocharger menekan udara (menaikkan tekanan udara pada intake), suhu udara akan naik. Bila suhu udara naik, maka density (kerapatan udara) akan menurun sehingga jumlah oksigennya tidak maksimal. Bila udara bertekanan ini dialirkan menuju engine, maka effisiensi yang dihasilkan oleh udara bertekanan akan hilang. Hal inilah yang menyebabkan mengapa aftercooler diperlukan. Aftercooler akan menurunkan suhu udara sebelum memasuki cylinder.

Aftercooler

·       Air To Air Aftercooler ·       Jacket Water Aftercooler ·       Separate Circuit Aftercooler

Gambar Aftercooler

Aftercooler

Aftercooler digunakan bersama dengan turbocharger untuk menurunkan suhu udara yang akan memasuki ruang bakar. Ini menyebabkan kerapatan udara menjadi meningkat, sehingga jumlah udara menjadi lebih banyak dan effisiensi dan tenaga yang dihasilkan engine meningkat.

Terdapat tiga jenis aftercooler yang digunakan engine. Semua jenis aftercooler berfungsi sama. Aftercooler akan menyerap panas dari udara sehingga udara menjadi lebih dingin dan kerapatan udaranya menjadi meningkat.

Air To Air Aftercooler (ATAAC)

Gambar Air To Air Aftercooler (ATAAC)

Dengan menggunakan aftercooler jenis ini, inti pendingin (cooler core) yang terpisah dipasang di bagian depan radiator engine. Udara dengan suhu luar yang dihembuskan oleh fan engine akan mengalir melintasi aftercooler core. Udara bertekanan dari turbocharger didinginkan oleh air to air aftercooler sebelum memasuki intake manifold. Ini merupakan metode yang sangat effektif untuk mendinginkan udara bertekanan apabila terdapat udara yang dingin dalam jumlah besar yang dapat melewati aftercooler. Karena alasan inilah mengapa sistem ini banyak digunakan pada kendaraan berkecepatan tinggi (on-highway truck).

Jacket Water Aftercooler (JWAC)

Gambar Jacket Water Aftercooler (JWAC)

Sistem jacket water aftercooler memiliki core assembly yang berisi coolant. Coolant yang digunakan adalah coolant yang sama yang digunakan untuk mendinginkan engine. Coolant ini digunakan untuk mendinginkan udara yang akan memasuki ruang bakar. Coolant dari water pump mengalir melalui aftercooler core. Udara bertekanan dari turbocharger didinginkan oleh aftercooler ini sebelum memasuki intake manifold.

Separate Circuit Aftercooler (SCAC)

Gambar Separate Circuit Aftercooler (SCAC)

Sistem aftercooler rangkaian terpisah (separate circuit aftercooler) mirip dengan sistem pendingin udara terpisah dari sistem pendingin yang digunakan untuk mendinginkan engine (jacket water). Jacket water bekerja untuk mendinginkan engine head, engine block, oli transmissi dan lain-lain. Sistem separate circuit aftercooler memiliki pompa, saluran air dan pemindah panas tersendiri. Sistem ini umumnya digunakan pada aplikasi dimana proses pendinginan udara yang maksimum diperlukan. Beberapa aplikasi marine menggunakan sistem ini dengan pemindah panas (heat exchanger) yang dirancang untuk menggunakan air laut untuk sirkuit pendingin. Pada truck besar yang digunakan pada pertambangan juga menggunakan aftercooler jenis ini.

Inlet Manifold

Dari air cleaner (atau turbocharger/aftercooler bila dilengkapi), udara memasuki inlet manifold yang kemudian meneruskan udara menuju cylinder head.

Langkah Isap

Gambar Langkah Isap

Udara mengisi saluran masuk pada cylinder head. Saat langkah isap, ketika piston bergerak menuju titik mati bawah, intake valve membuka sehingga udara mengisi ruang pada cylinder.

Gambar Temperatur udara pada inlet manifold

Tabel diatas menunjukkan temperatur udara pada inlet manifold pada berbagai macam jenis aftercooler. Terlihat bahwa pendinginan yang paling baik terjadi pada separate circuit aftercooler.

Penggunaan aftercooler memberikan keuntungan yang terdiri dari:

1. Meningkatkan effisiensi bahan bakar sebesar 7% pada beberapa rating engine.

2. Meningkatkan kemampuan engine

3. Mengurangi kadar Nox dan partikel pada gas buang

Langkah Kompressi

Gambar Langkah Kompressi

Pada langkah kompresi, saat piston bergerak naik, intake valve menutup. Udara yang terjebak dalam cylinder ditekan. Karena tekanan udara naik maka suhu udara juga akan naik mencapai titik dimana suhu udara akan membakar bahan bakar pada saat bahan bakar disemprotkan kedalam cylinder.

Langkah Tenaga

Gambar Langkah Tenaga

Beberapa derajat sebelum piston mencapai titik mati atas, bahan bakar disemprotkan kedalam cylinder. Bahan bakar tercampur dengan udara panas dan pembakaran dimulai. Tenaga yang dihasilkan oleh proses pembakaran ini akan menekan piston turun dan menghasilkan langkah tenaga.

Langkah Buang

Gambar Langkah Buang

Sesaat sebelum langkah buang berakhir, exhaust valve membuka. Tekanan sisa dari pembakaran akan keluar dengan cepat menuju exhaust manifold. Pada saat piston bergerak menuju titik mati atas lagi atau pada langkah buang, gas hasil pembakaran didorong keluar dari cylinder oleh piston. Pada akhir langkah buang exhaust valve menutup dan siklus empat langkah akan dimulai lagi.

Exhaust Manifold

Gas buang meninggalkan cylinder dan memasuki exhaust manifold dan kemudian mengalir menuju turbocharger (bila dilengkapi).

Gas buang yang panas ini keluar dari cylinder mempunyai kecepatan aliran dan energi panas yang besar. Energi ini kemudian digunakan untuk menggerakan turbine pada turbo charger dan karena turbin terhubung satu shaft dengan compressor maka compressor-pun akan berputar.

Gambar Cara Kerja Turbocharger

Cara Kerja Turbocharger

Gas buang mengalir melewati sudu-sudu pada turbine wheel dan menyebabkan turbine berputar. Turbine wheel dihubungkan dengan shaft dengan compressor wheel. Gas buang yang mendorong turbine dan menyebabkan compressor wheel berputar pada putaran tinggi, mencapai 30.000 sampai 130.000 rpm. Hal ini menyebabkan tekanan udara yang akan masuk menuju cylinder menjadi naik.

Pada saat beban engine meningkat, bahan bakar yang disemprotkan kedalam cylinder menjadi lebih banyak. Pembakaran yang meningkat akan menghasilkan gas buang yang lebih banyak sehingga putaran turbine dan compressor akan semakin cepat pula. Karenanya udara juga akan semakin banyak memasuki cylinder. Putaran maksimum turbocharger diatur oleh fuel setting, high idle speed setting dan ketinggian daerah operasi engine.

Waste gate adalah bagian dari beberapa turbocharger. Apabila boost lebih besar dari yang dianjurkan, maka waste gate terbuka untuk membuang gas buang dari sekeliling turbin ke atmosfer.

Dengan mengurangi aliran gas buang, maka akan memperlambat putaran turbin dan kompresor untuk mengontrol tekanan boost. Turbocharger memberikan banyak udara untuk memperbaiki pembakaran.

Gambar Aliran Gas Buang

Exhaust Pipe

Dari turbocharger (bila dilengkapi), gas buang mengalir melewati pipa exhaust, muffler dan exhaust stack. Sebagai tambahan pada komponen dasar anda juga perlu memahami mengenai engine marine dan industrial yang mungkin memakai (1) water cooled exhaust manifold dan (2) water cooled turbocharger.

Gambar Exhaust Stack

Terima kasih untuk Trakindo