Dasar Mesin Diesel

Siklus Dasar Mesin Diesel

Sebuah mesin diesel adalah jenis mesin termal yang menggunakan proses pembakaran internal (internal combustion engine) untuk mengubah energi yang tersimpan dalam ikatan kimia dari bahan bakar menjadi energi mekanik berdaya guna.

Ini terjadi dalam dua langkahPertama, bahan bakar akan bereaksi secara kimia atau pembakaran dan melepaskan energi dalam bentuk panas. 
Kedua panas menyebabkan gas yang terperangkap dalam silinder memuai dan pemuaian gas dibatasi oleh silinder menyebabkan piston bergerak memperluas ruang silinder.

Gerakan bolak-balik (reciprocating) piston ini kemudian diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft, kruk as). Untuk mengkonversi energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik berdaya guna semua pembakaran internal mesin harus melalui empat kegiatan: isap, kompresi, usaha dan buang. Bagaimana peristiwa tersebut dihitung dan bagaimana mereka terjadi membedakan berbagai jenis mesin.

Semua mesin diesel masuk ke dalam salah satu dari dua kategori, mesin siklus dua langkah atau 2 tak atau mesin siklus empat langka atau 4 tak. Siklus mengacu pada setiap operasi atau rangkaian kejadian yang berulang. Dalam kasus mesin 4 tak, mesin memerlukan empat langkah piston (isap, kompresi, usaha dan buang) untuk menyelesaikan satu siklus penuh. Oleh karena itu, diperlukan dua putaran dari poros engkol atau 720° dari rotasi poros engkol (360° x 2) untuk menyelesaikan satu siklus. Dalam mesin 2 tak peristiwa isap, kompresi, usaha dan buang terjadi dalam satu putaran poros engkol atau 360°.

Timing

Dalam pembahasan berikut dari siklus diesel adalah penting untuk mengingat kerangka waktu di mana setiap tingkah laku yang diperlukan terjadi. Waktu yang diperlukan untuk gerak pembuangan gas sisa keluar dari silinder dan udara segar ke dalam silinder, kompres udara, menginjeksikan bahan bakar dan untuk membakar bahan bakar.

Jika mesin diesel 4 tak berjalan konstan pada 1.500 putaran per menit (rpm), poros mesin akan berputar 25 putaran tiap detik atau 9.000 derajat per detik. Satu langkah selesai dalam waktu sekitar 0,02 detik.

Siklus 4 Langkah

Dalam mesin 4 tak, camshaft (noken as) disesuaikan sehingga kecepatan putarnya hanya setengah dari kecepatan putar poros engkol atau 1 putaran camshaft berbanding 2 putaran crankshaft. Ini artinya bahwa poros engkol harus membuat dua putaran lengkap sebelum noken as menyelesaikan satu putaran.

Bagian berikut akan menggambarkan empat langkah, mesin diesel memiliki katup isap dan katup buang dengan 3.5 inchi boring dan 4 inchi langkah dengan rasio kompresi 16:1, saat melewati satu siklus. Kita akan mulai pada langkah isap. Semua tanda waktu yang diberikan adalah secara umum dan akan bervariasi dari mesin ke mesin.

Isap (Intake)

Ketika piston bergerak ke atas mendekati 28° sebelum TMA yang diukur dengan perputaran poros engkol (crankshaft), cuping (nok) camshaft mulai mengangkat cam follower. Hal ini menyebabkan batang pendorong (pushrod) bergerak keatas dan mendorong sumbu pengungkit pelatuk (rockrer arm), pelatuk kemudian mendorong katup isap (intake valve) ke bawah dan katup (valve,klep) mulai terbuka. Langkah isap kini mulai sementara katup buang masih terbuka. Aliran gas buang membuat kondisi tekanan rendah di dalam silinder dan akan membantu menarik muatan udara segar masuk kedalam silinder seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 1.

Piston melanjutkan perjalanan ke atas sampai TMA, sementara udara segar masuk dan gas buang keluar. Sekitar 12° setelah TMA, cuping pembuangan camshaft berputar sehingga katup buang akan mulai menutup. Katup akan sepenuhnya ditutup sekitar 23° setelah TMA. Hal ini dicapai berkat pegas katup yang tertekan ketika katup dibuka, memaksa rocker arm dan cam follower kembali lagi sesuai dengan perputaran cuping camshaft. Dalam kerangka waktu selama kedua katup isap dan katup buang terbuka disebut katup saling tumpang tindih atau valve overlap (dalam contoh ini 51° overlap) dan digunakan untuk memungkinkan udara segar membantu memindahkan gas buang keluar dan mendinginkan silinder atau pembilasan. Pada kebanyakan mesin, 30 sampai 50 kali volume silinder, udara pembilasan melalui silinder selama overlap.

Udara segar yang kelebihan ini juga memberikan efek pendinginan yang diperlukan pada bagian-bagian mesin. Ketika piston melewati TMA dan mulai melakukan perjalanan menuruni lubang silinder, gerakan piston ini membuat sebuah langkah pengisapan dan terus menarik udara segar masuk ke dalam silinder.

Kompresi (Compression)

Pada 35° setelah titik mati bawah (TMB), katup isap mulai tertutup. Pada 43° setelah TMB atau 137° sebelum TMA, katup isap intake pada kedudukannya dan sepenuhnya tertutup. Di titik ini muatan udara pada tekanan normal sekitar 14,7 psi atm dan suhu udara ambien berkisar ~80°F, seperti diperlihatkan pada Gbr.2 Sekitar 70° sebelum TMA, piston telah menempuh perjalanan sekitar 2,125 inchi atau sekitar setengah dari ruang langkah kerja silinder, sehingga mengurangi setengah volume silinder. Suhu dua kali lipatnya menjadi berkisar ~160°F dan tekanan sekitar ~34 psi atm.

Sekitar 43° sebelum TMA piston telah melakukan perjalanan 3,062 inchi keatas dan volume sekali lagi dibagi dua. Akibatnya, suhu naik dua kali lipat menjadi sekitar ~320°F dan tekanan ~85 psi atm. Ketika piston telah mencapai 3,530 inchi dari ruang langkah kerja silinder, volume silinder dibagi dua lagi dan suhu mencapai sekitar 640°F dan tekanan 277 psi atm. Ketika piston telah mencapai 3,757 inci dari ruang langkah kerja silinder, volume dibagi dua dan suhu meningkat sampai 1280°F dan tekanan mencapai 742 psi atm. Dengan luas piston 9,616 inchi kuadrat maka tekanan dalam silinder mengerahkan kekuatan sekitar 7.135 lb atau 3,5 ton gaya tekan.

Hitungan di atas untuk mesin ideal dan memberikan contoh yang baik dari apa yang terjadi di dalam mesin selama kompresi. Dalam sebuah mesin yang sebenarnya, tekanan hanya mencapai sekitar 690 psi atm. Hal ini terutama disebabkan hilangnya panas ke bagian mesin sekitarnya.

Injeksi bahan bakar (Fuel Injection)

Bahan bakar dalam keadaan cair diinjeksikan ke dalam silinder pada waktu dan perkiraan yang tepat untuk memastikan bahwa tekanan pembakaran pada piston di paksa tidak terlalu dini atau terlalu terlambat, seperti yang ditunjukkan pada Gbr.3. Bahan bakar memasuki silinder dimana panas udara yang dimampatkan telah ada, namun bahan bakar hanya akan terbakar ketika berada dalam keadaan menguap, hal tersebut tercapai melalui penambahan panas dan dicampur dengan pasokan oksigen. Tetesan menit pertama pemasukan bahan bakar ke ruang bakar dengan cepat menguap. Penguapan dari bahan bakar menyebabkan udara disekitar bahan bakar mengalami pendinginan sehingga udara membutuhkan waktu untuk mendapatkan panas yang cukup untuk menyalakan menguapan bahan bakar. Injeksi bahan bakar dimulai pada 28° sebelum TMA dan berakhir pada 3° setelah TMA, karena itu bahan bakar diinjeksikan untuk durasi dari 31°.

Usaha (Power)

Kedua katup tertutup dan muatan udara segar telah dikompresi. Bahan bakar telah disuntikkan dan mulai terbakar. Setelah piston melewati TMA, panas dengan cepat dihasilkan oleh penyalaan dari bahan bakar dan menyebabkan peningkatan tekanan pada silinder. Suhu pembakaran sekitar 2.336°C. Kenaikan gaya tekan pada piston ke bawah meningkatkan gaya puntir pada poros engkol pada langkah usaha, sebagaimana diilustrasikan pada Gbr.4. Energi yang dihasilkan oleh proses pembakaran tidak semua dimanfaatkan. Dalam mesin diesel 2 tak, hanya sekitar 38% dari daya yang dihasilkan dimanfaatkan untuk melakukan pekerjaan, sekitar 30% terbuang dalam bentuk panas dibuang melalui sistem pendingin dan sekitar 32% dalam bentuk panas ditolak keluar melalui knalpot. Sebagai perbandingan, mesin diesel 4 tak memiliki distribusi termal dari 42% dikonversi menjadi kerja yang berdaya guna, 28% panas yang dibuang melalui sistem pendinginan dan 30% panas yang dibuang keluar melalai knalpot.

Pembuangan (Exhaust)

Seraya piston mendekati 48° sebelum TMB, cuping cam pembuangan mulai memaksa cam follower keatas, menyebabkan katup buang tertekan dari kedudukannya. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr.5, gas buang mulai mengalir keluar dari katup buang akibat tekanan silinder dan masuk ke dalam manifold pembuangan. Setelah melalui TMB, piston bergerak ke atas dan mengalami percepatan sampai kecepatan maksimum pada 63° sebelum TMA. Dari titik ini piston mengalami perlambatan. Selama kecepatan piston melambat, kecepatan gas yang mengalir keluar silinder membuat tekanan sedikit lebih rendah daripada tekanan atmosfer. Pada 28° sebelum TMA, katup isap intake terbuka dan siklus dimulai lagi
.