EFEK PENGGUNAAN SUPERCHARGER TERHADAP UNJUK KERJA DAN KONSTRUKSI PADA SEBUAH MESIN

DIESEL

AbstrakSalah satu cara peningkatan unjuk kerja mesin diesel dapat dilakukan dengan

memperbaiki sistim pemasukan dan pengeluaran udara. Metode yang banyak digunakan

adalah penggunaan supercharger yang menggunakan sebuah kompresor untuk

membantu pemasukan udara segar. Modifikasi supercharger menjadi turbocharger yang

memanfaatkan gas buang untuk memutar turbin pada saluran masuk memberikan

pengaruh yang lebih baik terutama dalam unjuk kerja mesin diesel. Pada tulisan ini akan

dijelaskan pengaruh penggunaan turbocharger dan konstruksi mesin diesel

1. Supercharger

Supercharger adalah suatu mekanisme untuk menyuplai udara dengan kepadatan

yang melebihi kepadatan udara atmosfer ke dalam silinder pada langkah hisap. Udara yang

lebih padat ini akan tinggal dalam silinder untuk ditekan pada langkah kompressi. Akibat

udara yang densitasnya lebih tinggi maka lebih banyak bahan bakar yang dapat terbakar

sehingga daya output mesin dapat meningkat. Tekanan udara dalam silinder sewaktu awal

kompressi biasanya paling rendah 6 psi.

Dengan supercharger jumlah udara atau campuran bahan bakar-udara segar yang biasa

dimasukan lebih besar daripada dengan proses pengisapan oleh torak pada waktu langkah

isap. Tekanan udara masuk silinder berkisar antara 1,2-2,2 kg/cm2. motor dua tak dengan

supercharger akan menaikan sekaligus tekanan isap dan tekanan buang.

1

Tujuan utama pemakaian supercharger adalah untuk menambah daya akibat

perubahan ketinggian tempat operasi (kepadatan udara rendah), ataupun untuk

meningkatkan daya yang dapat diperoleh dari mesin tanpa supercharger, mengurangi

biaya bahan akar; dan mengurangi berat atau ruang konstruksi pada suatu daya tertentu.

Peningkatan daya output yang dapat diperoleh dari suatu mesin yang dilengkapi dengan

supercharger tergantung pada beberapa faktor, tetapi yang terpenting adalah tekanan

supercharging. Peningkatan dava output yang diperoleh dapat mencapai sekitar 40 - 100

%, tetapi dengan disain khusus peningkatan yang lebih besar dapat dicapai. Mesin yang

dilengkapi dengan supercharger seperti yang dikatakan sebelumnya juga menghemat

bahan bakar karena daya yang diperoleh dengan supercharger meningkat dengan cepat

dibandingkan dengan losses-losses akibat gesekan yang biasanya relatif tetap dan juga

disebabkan oleh kecepatan udara yang tinggi menyebabkan aliran turbulen dalam ruang

bakar sehingga proses pencampuran udara + bahan bakar dapat lebih cepat dan lebih

balk mutunya.

Dilihat dari konstruksinya dan harganya, motor diesel di bawah 100 PS tidak

ekonomis menggunakan supercharger. Tetapi apabila mesin has bekerja paa

ketinggian lebih dari 1500 meter di atas laut, supercharger mempunyai arti penting

dalam udaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan berkurangnya kepadatan udara

atmosfer di tempat tersebut. Mesin dengan daya di antara 100 PS dan 200 PS yang

banyak dipakai pada kendaraan laut tidak memperlihatkan pembatasan yang tegas,

banyak juga yang menggunakan supercharger. Dalam hal tersebut kapal laut

kebanyakan memakai motor diesel tanpa supercharger.

Di atas 250 PS, motor diesel untuk kendaraan darat dan kapal laut biasanya

diperlengkapi dengan supercharger. Unit stasioner di bawah 1000 PS, karena ukuran

dan berat tidak merupakan faktor yang terlalu menentukan pada umumnya jarang

menggunakan supercharger.

Pada motor diesel supercharger dapat mempersingkat periode persiapan

pembakaran sehingga karakteristik pembakaran menjadi lebih balk. DI samping itu

terbuka kemungkinan untuk menggunakan bahan bakar dengan bilangan setana yang

lebih rendah. Akan tetapi jangan hendaknya melupakan tekanan dan temperatur gas

pembakaran nya karena hal tersebut akan menyangkut persoalan pendinginan,

konstruksi, kekuatan material serta umurnya.

2

Untuk mencegah terjadinya tekanan maksimum yang terlalu tinggi ada

kecenderungan untuk mengurangi perbandingan kompresi yang sekaligus memperingan

start mesin. Karena supercharger dapat memasukkan udara lebih banyak, dapat

diharapkan pembakaran menjadi lebih baik dan gas buangnya lebih bersih: Kiranya

perlu pula diperhatikan, campuran bahan bakar - udara yang lebih miskin akan

memperkecil penggunaan bahan bakar spesifik. Kini banyak motor diesel yang semula

dirancang untuk bekerja tanpa supercharger dilengkapi dengan supercharger untuk

mencapai tujuan tersebut.

Pemakaian bahan bakar spesifik dari motor bensin yang memakai supercharger

biasanya menjadi lebih besar. Hal ini disebabkan, terutama karena perbandingan

kompresinya harus diperkecil untuk mencegah detonasi juga karena banyak bahan bakar

yang keluar dari dalam silinder sebelum digunakan. Pemakaian supercharger pada

motor bensin haruslah mencakup unsur kompromi antara efisiensi dan kebutuhan

misalnya pada mesin pesawat terbang dan mobil balap.

Pada mesin pesawat terbang, supercharger digunakan untuk memperoleh

daya yang sebesar-besarnya pada waktu tinggal landas dan untuk memampas

berkurangnya kepadatan udara pada ketinggian yang lebih tinggi. Boleh

dikatakan, kecuali pada motor bensin yang kecil, semua pesawat terbang selalu

menggunakan supercharger. Persoalan denotasi dapat diatasi dengan dengan

menggunakan bensin dengan bilangan oktana yang lebih tinggi (aviation-type

fuels) dan dalam banyak hal dengan menyemprotkan air alkohol ke dalam arus

udara pada waktu tinggal landas. Demikian juga motor bensin untuk mobil balap,

yang lebih mementingkan daya daripada efisiensi, banyak memakai supercharger.

Gambar 1 berikut ini menggambarkan konstruksi sebuah turbosupercharger.

Udara atmosfer masuk ke dalam kompresor, mengalami proses sehingga tekanannya

naik. Kompresor digerakkan oleh turbin; hal ini dapat dilihat pada adanya poros yang

menghubungkan rotor kompresor dan rotor turbin yang digerakkan oleh gas buang

motor bakar torak yang menggunakan turbosupercharger tersebut. Udara yang keluar

dari kompresor mengalir ke dalam saluran isap motor; melalui karbulator atau

penyemprot bahan bakar, pada motor otto., selanjutnya udara mengalir ke dalam

silinder.

3

Rcimah

kompresor Runk hturbid

ssu► . '

Gbr 1 Sebuah turbosupercharger dengan katup udara (KK) dan katup gas buang

(KT) dalam keadaan tertutup

Apabila motor dirancang untuk mencapai efisiensi maksimum pada daerah

pembebanan tinggi, maka pembebanan rendah daya dan efisiensinya turun karena

pembakaran kurang sempurna. Pada beban rendah, gas buang yang terjadi tidak cukup

kuat menggerakkan turbosupercharger, atau pada kondisi beban rendah tidak diperlukan

supercharger; maka gas buangan dapat dibuat tidak (sernuanya) mengalir melalui turbin,

dengan mengatur pembukaan katup simpang, sehingga turbocarjer tidak bekerja.

Pembukaan katup simpang tersebut dapat disesuaikan dengan pembukaan katup gas;

apabila katup gas terbuka penuh, katup simpang tertutup. Demikianlah,

turbosupercharger haruslah cocok dan terpadu dengan motor yang menggunakan, sesuai

dengan tujuan penggunaannya untuk memenuhi : kebutuhan daya, daerah putaran,

karakteristik momen putar, tingkat emisi buang, pemakaian bahan bakar spesifik,

ketahanan, berat, ukuran, suara, dan beberapa parameter pilihan lain yang diinginkan.

4

Turbosuperrarjer

Saluran buang

Gbr 2. Diagram aliran udara dan gas buang pada motor torak dengan turbosupercharger

Pada operasi beban penuh kedua turbocarjer bekerja. Sedangkan pada beban sebagian,

hanya satu turbocarjer yang bekerja; pada kondisi ini katup KT dan katup KK tertutup

sehingga turbocarjer 2 tidak bekerja.

1.1. Jenis-jenis Supercharger

Berdasarkan jenis kompressor yang digunakan untuk menggreckon supercharger

maka supercharger dapat dibagi atas :

a) Supercharger, yang menggunakan positive displacement rotary compressor,

dapat dibagi atas :

1.Impeler dengan 2 lobes

2.Impeler dengan 3 lobes

b) Supercharger yang menggunakan Centrifugal Compressor.

Sedangkan berdasarkan cara penggerakkan kompressor maka supercharger dapat dibagi

lagi atas :

1.Kompressor yang digerakkan dari crankshaft mesin itu sendiri.

2.Kompressor yang digerakkan dari sumber daya luar.

3.Kompressor yang digerakkan turbin dengan pemanfaatan gas buang

( Turbocharger) yang dapat dibagi lagi atas :

a.. Turbocharger 2 tingkat (Two Stage Turbochanging)

b. Turbocharger majemuk (Compound Turbochanging).

5

1.2. Jenis-jenis Kompresor

1.2.a. Positive Displacement Rotary Compressor

Positive Displacement Rotary Compressor yang digunakan dalam supercharger

biasanya berasal dari tipe "ROOT" yang terdiri dari dun rotor (impeler) yang bergerak

secara berlawanan. Impeler dipasang pada kedua poros yang paralel dan memiliki dua

atau tiga kuping (lobes) yang saling berpasangan seperti roda gigi ketika impeler ini

berputar. Udara yang masuk pada awalnya akan terjebak pada ruang antara rumah dan

lembah pada lobes yang saling berdekatan, yang kemudian di bawa ke saluran keluar

dan udara dipaksa memasuki ruang silinder.

Untuk impeler dengan 2 kuping (lobes) (lihat Gbr. 3) memiliki sifat-sifat sebaaai berikut :

1.Menghasilkan kapasitas udara yang paling maximum.

2.Mengkonsumsi energi yang paling sedikit.

3.Pemasukan udara yang tidak kontinius.

4.Sangat berisik terutama jika bentuk lobenya lurus.

Gbr. 3. Positive Displacement Rotary Compressor dengan 2 lobe.

Sedangkan untuk impeler dengan 3 lobes (Gbr 4) yang berbentuk spiral, merupakan tipe

root kompressor yang lebih baik dibandingkan dengan 2 lobes karena tidak berisik dan

terutama karena aliran udara lebih merata (kontinue).

6

Gbr. 4. Positive Displacement Rotary Compressor dengan 3 lobes spiral.

1.2.b. Centrifugal Kompressor

Centrifugal Compressor merupakan tipe kompressor yang menggunakan roda

kecepatan tinggi yang dilengkapi sudut-sudut dan ditutup dengan casing berbentuk

valve. Udara memasuki casing melalui saluran masuk, kemudian melalui sudut-sudut

roda udara tersebut seolah-olah dilemparkan dengan gaya sentrifugal ke saluran keluar

kompressor. Udara yang dilempar dengan kecepatan yang tinggi ini dalam saluran

buang diubah energi kinetiknya menjadi energi tekanan melalui diffuser. Biasanya

putaran 4000 - 5000 rpm. Keunggulan Positive Displacement Rotary Compressor

dibandingkan dengan Centrifugal Compressor jika penggeraknya berasal dari mesin itu

sendiri adalah terletak pada kapasitas udara yang dipindahkan ke ruang silinder.

Positive Displacement Rotary Compressor secara praktis akan melepas udara dalam

jumlah yang sama setiap putaran mesin tanpa memperhatikan kecepatan ataupun

tekanan kerja dalam silinder. Tetapi untuk kompressor sentrifugal jumlah udara yang

dimasukkan ke dalam silinder tiap putaran mesin akan selalu berubah- ubah karena

tergantung pada kuadrat kecepatan roda putarnya sehingga kapasitas pemasukan

udaranya akan jauh lebih sedikit dibandingkan dengan positive displacement Rotary

Compressor terutama pada putaran rendah.

7

AIA Ik l

PACm AIA 1 -

C I E : \ ' c R f~

CIVIRESS01- NCt,S;NG

iceu~aessaaWHEEL'

%

M

2. Turbocharger

Supercharging yang menggunakan turbocharger memanfaatkan energi yang

terkandung dalam gas buang untuk menggerakkan kompressor sehingga lebih efektif

menaikkan mean efektif pressure (mep) dibandingkan dengan metode supercarging

yang lain, tanpa perlu meningkatkan kecepatan mesin, jumlah ataupun langkah silinder,

maupun kecepatan rata-rata piston.

Tekanan efektif rata-rata (mep) diesel engine yang menggunakan turbocharger

mencapai sekitar 160 - 230 psi ( 1103,2 - 1585,8 kPa), dengan penambahan daya sekitar

75-100% dibandingkan dengan diesel engine tanpa supercharger. Persyaratan utama

turbocharger terletak pada ketahanan dinding silinder dalam menerima gaya tekan yang

meningkat dalam silinder. Dan perbandingan berat dan daya yang dulunya 10 : 1

sekarang dapat mencapai 6: 1.

Untuk mencapai daya output optimum maka efesiensi volumetris dan laju

pembilasan gas bekas harus ditingkatkan. Untuk mencapai keadaan ini maka kompressi

rasio harus dikurangi sedikit dan perubahan katup overlap. Secara keseluruhan, semua

turbocharger serupa disainnya yaitu terdiri dari tiga sistem dasar yaitu : turbin,

kompressor dan assembling bantalan (gbr. 5).

Gbr. 5 Bagian-bagian turbocharger

Perbedaan-perbedaan yang ada adalah pada variasi peningkatan tekanan dan debit udara

yang dimasukkan dalam ruang silinder. Rumah turbin, disain roda turbin dan konstrulsi

8

yang berbentuk volute ataupun nozle sangat menentukan kecepatan aliran gas yang akan

menggerakkan poros kompressor. Ketika mesin mulai digerakkan maka gas buang akan

memasuki rumah turbin yang berbentuk volute dengan variasi ruang yang semakin kecil

dengan kecepatan yang sangat tinggi. Gas buang ini kemudian diarahkan ke nozle

sehingga kecepatan aliran gas buang semakin tinggi. Kecepatan gas yang sangat tinggi

ini akan digunakan untuk memutar turbin, yang kemudian keluar melalui pipa buang ke

atmosfer.

Akibat perputaran turbin maka kompressor juga akan ikut berputar dan menyebabkan

terjadinya tekanan vakum pada sisi hisap kompressor. Akibatnya tekanan atmosfer akan

memaksa udara kedalam saluran hisap kompressor pada kecepatan relatif tinggi. Udara

ini kemudian memasuki diffuser dan mengalami penekanan lagi pada rumah

kompressor dan dikeluarkan melalui sisi tekan ke ruang silinder.

Ada dua cara pengoperasian turbocharger yaitu :

a). Turbocharger dua tingkat (Two stage turbocharger)

Jenis ini (gbr.6) digunakan untuk meningkatkan batas torsi mesin dan tekanan

effektif rata-rata (mep).

Beberapa mesin tipe V dan inline menggunakan dua atau empat turbocharger dan

aftercooler ( masing-masing satu untuk pipa manifold buang).

Cara kerja :

Udara mengalir dari saringan udara ke rumah kompressor tingkat pertama (low pressure

turbocharger), kemudian keluar dari kompressor tingkat pertama dan masuk kompressor

tingkat kedua. Setelah dikompress pada kompressor tingkat dua maka udara keluar

melewati aftercooler menuju pipa manifold hisap silinder. Pada keadaan ini temperatur

udara dikurangi sampai 223°F (1060 C) dan dengan tekanan berkisar 60,4 inHg ( 204,5

kpa).

9

SECOND-STAGE TURCOCHARGE

258 F 1 25.5. C I 2.1.5 I,Ho 182.9 ki'd

AIR IN (AIR FILTER) 92 F133.3CI14.7 psi I:01.3 kPal

EXHAUST GASES !N 1 SE• F (640.5'cl

kPio___1

FIRST-STAGE

1035 11557.2 C1 24 3 wHg 182.3 kP2

KIN 1 ENAPERATURE AND PRESSURE ENTERING THE INTAKE M A N I F O L D 223.0 F 1106.1 CI 60.4wHg 1204.5 0'81

EXHAUSTSE F 1301C12.4 Int-ig 18.12 kPzi

Gbr. 6. Turbocharger dua tingkat.

Gas buang hasil pembakaran memasuki pipa manifold tipe pulsa yang kemudian

memasuki rumah turbin tingkat dua. Gas buang kemudian meninggalkan turbin tingkat

dua dan memasuki turbin tingkat pertama yang akan menggerakkan roda turbin dengan

sisa-sisa energi _yang terkandung dalam gas buang. Kemudian gas ini dibuang melalui

pipa saluran buang ke atmosfer. Dengan metode ini diperkirakan diperoleh daya

tanbahan sebesar 75 BP dan torsinya meningkat sampai putaran 700 rpm.

b). Turbocharger Majemuk (Compund Turbocharger)

Berdasarkan uji coba experimental, maka dengan metode ini efesiensi total

mesin disesel dapat mencapi 46,5 %. Sistem yang mencakup roda turbin dan

porosnya dihubungkan ke sebuah kopling fluida. Kemudian turbin ini dihubungkan

dengan roda gigi reduksi dan poros outputnya dihubungkan dengan dengan crankshaft.

(Gbr. 7).

Cara kerja :

Gas buang menggerakkan roda turbin yang selanjutnya akan menggerakkan kopling

fluida, yang akan menyebabkan turbin akan ikut berputar. Perputaran turbin akan

menggerakan roda gigi reduksi yang akan membantu pergerakan crankshaft. Gas buang

yang meninggalkan rumah turbin diarahkan ke turbocharger yang akan mengerakkan

turbin dan kompressor didalamnya. Akibat pergerakan kompressor maka udara atmosfer

10

akan ditarik kedalam kompressor dan ditekan melalui aftercooler masuk ke dalam ruang

silinder sehingga suhunya senantiasa konstan.

3. Perubahan Konstruksi Mesin Diesel Untuk Pemasangan Supercharger

Jika suatu supercharger hendak dipasang pada sebuah unit mesin diesel maka

ada beberapa perubahan yang perlu diperhatikan, yaitu :

1.Katup overlap

Dalam keadaan normal maka katup overlap pada mesin empat langkah

terjadi pada 30°-40°. Akan tetapi pada mesin yang dilengkapi supercharger,

makaWaktu katup overlapp ini ditingkatkan menjadi 130°-160°, dimana selama

periode ini kedua katup terbuka sehingga udara yang berasal dan supercharger

secara efektif dapat membersihkan ruang, bakar dari gas-gas bekas. Juga

keadaan ini dapat memberikan efek pendinginan terutama pada pipa dan katup

buang.

2.Peningkatan volume clearance

Pembesaran ruang bakar (peningkatan volume clearance) dibutuhkan

untuk menjaga compressi rasio dan tekanan maksimum (pembakaran) agar tetap

berada pada batas-batas seperti pada mesin tanpa supercharger.

3.Perubahan pompa injector

Karena tekanan dalam silinder yang relatif lebih tinggi dibanding mesin

tanpa supercharger, maka pompa injector harus diganti dengan pompa yang

lebih tinggi tekanannya agar mampu menyemprotkan bahan bakar kedalam

ruang bakar. Disamping itu dengan peningkatan kemampuan pompa maka bahan

bakar dapat lebih banyak disemprotkan jika diinginkan campuran yang kaya,

karena udara yang menunggu dalam silinder sudah lebih padat sehingga jika

proses pembakaran dilakukan maka daya output yang dihasilkan akan lebih

besar.

11

4. Sistem pengaturan udara yang masuk silinder

Karena mesin-mesin kompresi tinggi sangat sensitif terhadap perubahan

air-fuel ratio, maka jumlah udara yang disuplai supercharger ataupun

turbocharger harus diatur agar air-fuel rationya tetap cocok dengan beban dan

kecepatan mesin serta temperatur atmosfer. Mesin-mesin besar biasanya

memiliki sistem kontrol automatik untuk proses pengontrolan ini. Metode

pengaturan udara yang masuk ke dalam silinder ini dapat dilakukan dengan cara

menempatkan katup pada saluran buang silinder, sehingga gas buang yang

memasuki turbin terkontrol ataupun dengan menempatkan katup pada saluran

masuk silinder sehingga udara atmosfer yang langsung dikontrol.

4. Kesimpulan

1. Daya output (BHP) akan meningkat sebesar 40-100 % untuk mesin diesel yang

dilengkapi, dengan supercharger.

2. Spesific Fuel Consumption (SFC) akan menurun dengan pemakaian

supercharger, karena :

a)Tekanan udara yang masuk dalam silinder sudah sedemikian tingginya

akibat padatnya udara melebihi tekanan atmosfer sehingga proses

percampuran bahan bakar dan udara menjadi lebih mudah.

b)Kecepatan udara masuk kedalam silinder begitu tinggi sehingga terjadi

aliran turbulen dalam ruang bakar yang memudahkan percampuran

bahan bakar dan udara

3. Pemakaian supercharger sangat bermanfaat terutama pada mesin-mesin diesel

yang beroperasi pada ketinggian > 1500 m dpl dimana kepadatan udara rendah,

karena dengan pemakaian supercharger maka tekanan dalam silinder akan tetap

tinggi.

4. Pemakaian supercharger menyebabkan campuran bersifat masalah sehingga gas

buang menjadi relatif lebih bersih.

5. Pemakaian supercharger akan menghemat energi karena energi yang terkandung

dalam gas buang masih dapat dimanfaatkan untuk menambah daya output mesin

melalui mekanisme turbocharger.

12

Referensi:

1.Arismunandar, Motor Bakar Torak. PT Gramedia Indonesia. Jakarta, 1990.

2.Obert, E>F International Combution Engines, 3' ed, International Textbook

Company, Scranton, Pennsylvania, 1968.

3.Hopwarth, M. H, The design of High Speed Diesel Engines, Amerika Elsevie

Publishing Company, Inc. , New York, 1966.

13