Jurnal Dinamis Vol. I, No. 7, Juni 2010
ISSN 0216 - 7492
PENGARUH PENGGUNAAN TURBOCHARGER DENGAN INTERCOOLER TERHADAP PERFORMANSI MOTOR BAKAR DIESEL Mahadi Staf Pengajar Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Abstract The use of turbochargers with intercooler is to increase the engine power (30-80%), diesel engines with turbochargers can work more efficiently, if the engine has to work at an altitude of more than 1500 meters above sea level, the turbocharger is of significant importance in the effort to overcome losses caused by power by reduced atmospheric air density at the location. Power will increase by 66.1% with a turbocharger and intercooler uses the rotation 2500 rpm, with the number of cylinders and the dimensions of the same machine. Effective pressure - average increase of 66.4% at 2300 rpm with the spin machine that same.Torsi dimensions for motor diesel fuel was also increased by 60.8% at 2100 rpm with dimensional rotation engine specific fuel sama.Consumtion also decreased by 5.20% at 2100 rpm rotation for internal combustion engine with turbocharger and intercooler this. Power indicator on these diesel motor fuel increased by 62.6%. With this result may be said that the use of a turbocharger and intercooler is very efficient and very influential on the performance of the diesel engine. Keywords : turbocharger, intercooler and performansi
Abstrak Penggunaan turbocharger dengan intercooler adalah untuk memperbesar daya motor (30 – 80%) , mesin diesel dengan turbocharger dapat bekerja lebih effisien, apabila mesin harus bekerja pada ketinggian lebih dari 1500 meter diatas permukaan laut, turbocharger mempunyai arti penting dalam usaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan oleh berkurangnya kepadatan udara atmosfer di tempat tersebut. Daya akan meningkat sebesar 66,1 % dengan memakai turbocharger dan intercooler pada putaran 2500 rpm dengan jumlah silinder dan ukuran / dimensi mesin yang sama. Tekanan efektif rata – rata meningkat sebesar 66,4 % pada putaran 2300 rpm dengan dimensi mesin yang sama.Torsi untuk motor bakar diesel ini juga meningkat sebesar 60,8% pada putaran 2100 rpm dengan dimensi mesin juga sama.Konsumsi bahan bakar spesifik menurun sebesar 5,20 % pada putaran 2100 rpm untuk motor bakar dengan turbocharger dan intercooler ini. Daya indikator pada motor bakar diesel ini meningkat sebesar 62,6%. Dengan hasil ini boleh dikatakan bahwa penggunaan turbocharger dan intercooler sangat efisien dan sangat berpengaruh terhadap performansi motor bakar diesel tersebut. Kata kunci : turbocharger, intercooler dan performansi
I.
PENDAHULUAN
Turbocharger adalah sebuah komponen yang berupa kompresor yang digunakan dalam mesin pembakaran dalam untuk meningkatkan keluaran tenaga mesin dengan meningkatkan massa oksigen yang memasuki mesin. Kunci keuntungan dari turbocharger adalah peningkatan tenaga mesin. Ada
perbedaan dalam proses kerja antara supercharger dan turbocharger, yaitu pada penggerak impeler turbin dimana pada supercharger impeler turbin digerakkan oleh gerakan mekanik yang ditransfer dari putaran poros engkol, sedangkan pada turbocharger memanfaatkan gas buang sebagai penggerak impeler turbin. 23
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 7, Juni 2010
Tujuan utama penggunaan turbocharger dengan intercooler adalah untuk memperbesar daya motor (30 – 80%) boleh dikatakan bahwa mesin diesel dengan turbocharger dapat bekerja lebih effisien, apabila mesin harus bekerja pada ketinggian lebih dari 1500 meter diatas permukaan laut, turbocharger mempunyai arti penting dalam usaha mengatasi kerugian daya yang disebabkan oleh berkurangnya kepadatan udara atmosfer di tempat tersebut. Keuntungan memakai turbocharger pada metode tekanan konstan ialah :1). Fluktuasi pada turbin tidak ada. 2). Sangat efisien dan konsumsi bahan bakar yang ekonomis pada perbandingan tekanan kompresor dan turbin yang tinggi. 3).Kecepatan mesin tidak terbatas oleh gelombang tekanan pada saluran gas buang .4). Penentuan titik operasional dari turbin dapat lebih mudah. Kerugian memakai turbocharger pada metode tekanan konstan adalah : 1).Tidak seluruh Energi gas buang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin. 2).Ada sebagian energi yang hilang pada common large chamber 3). Membutuhkan saluran gas yang besar. 4). Kurang responsif pada beban. Bagian – bagian utama turbin turbocharger
ISSN 0216 - 7492
1.1. Kompresor Kompresor adalah suatu alat pemampat / menaikkan tekanan udara diatas tekanan atmosfer. Pada keadaan ini kompresor didalam turbocharger ini berfungsi memampatkan udara / menaikkan tekanan udara yang dihisap dari udara sekitar. Kompresor disini digerakkan oleh turbin turbocharger, dimana turbin ini digerakkan oleh gas buang dari motor bakar. Pada studi ini fungsi dari kompresor itu untuk menaikkan tekanan efektif rata – rata yang berpengaruh terhadap performansi motor bakar tersebut.
Gambar.2.Bagian-Bagian Utama Kompresor Sentrifugal Pada saat sekarang ini teknologi otomotif yang sedang berkembang itu adalah intercooler. Alat ini adalah peralatan sederhana di dalam sebuah mobil, tetapi memiliki fungsi yang luar biasa. Intercooler memiliki beberapa nama sebutan antara lain air cooler, after cooler dan charger cooler. Tetapi apapun namanya alat ini memiliki fungsi yang sama yaitu mendinginkan udara yang masuk keruang mesin.
Gambar1. Komponen Turbin Aliran Radial 24
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 7, Juni 2010
ISSN 0216 - 7492
atmosfer dan tekanan fluida kerja pada saat langkah buang sama dengan tekanan atmosfer.
Gambar 3. Sistem Kerja intercooler tipe air to air Intercooler air to air adalah intercooler yang bekerja mendinginkan udara berdasarkan udara yang melewati kisi – kisinya. Sedangkan air to water adalah intercooler yang bekerja mendinginkan udara berdasarkan udara yang melewati kisi – kisinya yang juga di bantu dengan air yang melewatinya. Pada perencanaan turbocharger ini dipilih jenis intercooler air to air, karena memiliki efisiensi yang tinggi dan bentuknya dapat lebih mudah disesuaikan. Tujuan penulisan ini adalah untuk mengetahui seberapa besar pengaruh penggunaan Turbocharger dengan intercooler pada mesin diesel, analisa tersebut meliputi analisa Termodinamika pada turbocharger dan intercooler. II. METODOLOGI KAJIAN 2.1. Analisa Termodinamika Proses - proses termodinamika yang terjadi didalam motor bakar torak sangatlah kompleks untuk dianalisa menurut teori. Maka untuk memudahkan analisa proses tersebut, perlu dilakukan beberapa idealisasi yaitu : Fluida kerja dianggap sebagai gas sempurna (gas ideal), proses pembakaran dianggap sebagai proses pemanasan fluida kerja, proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara isentropik, pada akhir ekspansi, yaitu pada waktu torak mencapai TMB, fluida kerja didinginkan sehingga tekanan dan temperaturnya turun mencapai tekanan dan temperatur
Gambar 4. P – V diagram siklus gabungan (siklus dual) 2.2. Mekanisme Kerja Motor Bakar dengan turbocharger dan Intercooler
Gambar 5 . mekanisme kerja Turbocharger dengan intercooler Keterangan : B = kompresor sentrifugal; T = turbin Radial; C = air intercooler Mekanisme kerja sederhana Turbocharger dengan intercooler diatas adalah ketika piston melakukan langkah buang, dimana gas buang yang masih bertemperatur tinggi dan juga mempunyai tekanan yang tinggi pula diekspansikan keluar kesaluran buang (exhaust manifold) dan gas yang keluar dari saluran buang mempunyai laju aliran yang tinggi yang kemudian masuk ke turbin turbocarjer dan akan memutar turbin, dengan berputarnya turbin maka kompresor juga akan ikut berputar, ini dikarenakan turbin dan kompresor dihubungkan seporos (dikopel langsung). 25
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 7, Juni 2010
ISSN 0216 - 7492
2.3. Analisa Termodinamika pada turbocarjer dan Interkuler
Gambar 6. Diagram P-V siklus gabungan dengan menggunakan turbocharger dan intercooler. Keterangan : 9 -1 = langkah isap tekanan konstan 1–2 = langkah kompresi isentropik 2 – 3a = proses pembakaran, volume konstan 3a – 3 = proses pembakaran, tekanan konstan 3–4 = langkah ekspansi isentropik 4 – 5a = ekspansi pada pipa gas buang 5a – 5 – 7 – 8 = energi yang berguna pada turbin 10 – 6 – 7 – 8 = energi maksimum yang mampu menggerakkan turbin 4–1 = langkah buang 2.4. Laju Aliran Kompresor
Udara
Melalui
Fi N i L' ma mk 1 s c 3600 q out th 1 laju aliran massa melalui q in kompresor (kg/det), sc Koefisien .
2.5. Penetapan kajian yang akan digunakan Dalam menganalisa pengaruh penggunaan turbocarjer dengan interkuler ini, beberapa parameter harus dipilih atau diambil berdasarkan literatur. Oleh karena itu parameter yang harus dipilih adalah temperatur gas buang dan tekanan masuk turbin. Temperatur masuk turbocarjer adalah 500 – 600 0C, dalam hal ini dipilih sebesar 789,16 0K. Sedangkan tekanan udara yang disuplai oleh kompresor sebesar Psup= 1,4 – 2,5 atm. Pada kajian studi ini dipilih Psup sebesar 1,94 atm. Tekanan masuk turbin sebesar Pt = (0,8 – 0,9) Psup. Besarnya tekanan masuk turbin diperoleh sebesar Pt = 0,84 (1,94 x 105 Pa) = 1,63 x 105 Pa, parameter : .
m eg 0,170 kg/ det .
m k 0,165kg / det T5 a 789,16 0 K p5 a 1,63 x10 5 Pa 2.6. Termodinamika dan Kompresor
pada
Turbin
Kerja yang dihasilkan oleh turbin .
WT htT m(h01 h02 ) Kerja yang dihasilkan oleh kompresor .
Wc m (h02 h01 )
udara pembilasan, dalam kajian studi ini dipilih koefisien udara pembilasan senilai 0,15., Fi = Konsumsi bahan bakar indikator ( g/hp-hr), Ni= Daya indikator (hp), L’= Jumlah udara aktual yang dibutuhkan (mole/kg), ma = berat molekul udara sebesar 28,95 kg /mole 26
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 7, Juni 2010
ISSN 0216 - 7492
III. HASIL PEBAHASAN : 3.1. Perhitungan Performansi Pada Beberapa Putaran
3.3. Pengaruh Penggunaan Turbocharger dengan intercooler Terhadap Daya Indikator Motor Bakar Diesel
140
180 Dengan Turbocarjer dan Interkuler
100 80
Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler
60
Tanpa Turbocarjer dan Interkuler
40 20 0 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400
160 140
Daya Indikator (hp)
Daya Motor (hp)
120
100
Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler
60
Tanpa Turbocarjer dan Interkuler
20
Gambar 7. Grafik Daya Motor Vs Putaran 14 12 10
Dengan Turbocarjer dan Interkuler Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler
8 6
Tanpa Turbocarjer dan Interkuler
4
0 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400 Putaran (rpm)
Gambar 10. Daya indikator Vs Putaran 3.4. Pengaruh Penggunaan Turbocharger dengan intercooler Terhadap Konsumsi Bahan Bakar Motor Bakar Diesel
2 0 1300
1600
1900
2200
2500
2800
3100
3400
Putaran (rpm)
Gambar 8 . Tekanan Efektif Vs Putaran 3.2. Pengaruh Penggunaan Turbocharger dengan intercooler Terhadap Torsi Motor Bakar Diesel
Konsumsi Bahabn Bakar Spesifik (kg/hp-hr)
Tekanan Efektif (kg/cm2)
80
40
Putaran (rpm)
0,148 0,146 0,144
Dengan Turbocarjer dan Interkuler Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler Tanpa Turbocarjer dan Interkuler
0,142 0,14 0,138 0,136 0,134 0,132 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400 Putaran (rpm)
Gambar 11. Bahan bakar spesifik Vs Putaran
45 Momen Puntir /Torsi (kg-m)
Dengan Turbocarjer dan Interkuler
120
40 35
Dengan Turbocarjer dan Interkuler
30 25
Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler
20
Tanpa Turbocarjer dan Interkuler
15 10
3.5. Pengaruh Turbocharger dan intercooler terhadap Motor Bakar Diesel
5 0 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400 Putaran (rpm)
Gambar 9. Grafik Torsi Vs Putaran 27
Konsumsi Bahan Bakar / Jam (kg/jam)
Jurnal Dinamis Vol. I, No. 7, Juni 2010
ISSN 0216 - 7492
25 20
Dengan Turbocarjer dan Interkuler Dengan Turbocarjer Tanpa Interkuler Tanpa Turbocarjer dan Interkuler
15 10 5
Turbomachinery”, 4th edition, Jordan Hill, Oxford, 1998. 9. David Burghradt, M,”Engineering Thermodynamics With Applications” 2nd edition, Harper and Row, New York, 1982.
0 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400 Putaran (rpm)
Gambar 12. Konsumsi bahan bakar /jam Vs Putaran
DAFTAR PUSTAKA 1. Arismunandar, W, dan Tsuda, K,”Motor Diesel Putaran Tinggi”,Cetakan Kesepuluh, Pradnya Paramita, Jakarta, 2004. 2. Arismunandar Wiranto, ”Penggerak Mula Motor Bakar Torak”, Cetakan Keempat, Penerbit ITB Bandung, Jakarta, 1988. 3. Petrovsky, N, “Marine Internal Combustion Engine”, Mir Publisher, Moscow, 1988. 4. Edward F. Obert, “Internal Combustion Engines”, third edition, Scranton, Pennsylvania, 1968. 5. Holman, J. P ” Perpindahan Kalor ”, Edisi Kelima, Erlangga, Jakarta Pusat, 1984. 6. Taylor, Professor C, F, ”The Internal Combustion Engine In Theory and Practice”, Vol. II, M. I. T. PRESS, USA, 1985. 7. Rama Gorla S.R, dan Airjaz A.khan, ”Turbomachinary Design and Theory”, Marcel Dekker, New York, 2003. 8. Dixon, S.L, “Fluid Mechanics, Thermodynamics of 28
