Air Intake & Exhaust System [PDF]

Citation preview

Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



TOPIK 3 Air Intake & Exhaust System PENDAHULUAN Langkah Intake



Gambar 9.1 Langkah intake



Udara mengalir melalui intake port pada cylinder head. Pada langkah intake (Gambar 9.1), inlet valve terbuka beberapa saat sebelum piston mulai bergerak turun dan udara kemudian akan mengalir memasuki cylinder.



Langkah Kompresi



Gambar 9.2 Langkah kompresi



Pada langkah kompresi (Gambar 9.2), piston bergerak naik dan kedua valve intake dan exhaust tertutup. Udara yang terperangkap di dalam cylinder kemudian terkompresi, sehingga temperaturnya naik ke tingkat dimana fuel akan terbakar saat diinjeksikan ke dalam cylinder.



17 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Langkah Power



Gambar 9.3 Langkah power



Saat piston mendekati puncak pergerakannya (Gambar 9.3), fuel disemprotkan ke dalam cylinder dalam bentuk kabut yang sangt halus, sebagai hasil dari tekanan yang sangat tinggi pada injector. Fuel kemudian bercampur dengan udara panas di dalam cylinder dan terbakar. Proses pembakaran tipe ini adalah alasan kenapa engine diesel juga disebut sebagai compression ignition engine. Energi yang dihasilkan oleh pembakaran memaksa piston turun untuk menghasilkan tenaga.



Langkah Exhaust



Gambar 9.4 Langkah exhaust



Mendekati akhir langkah tenaga (Gambar 9.4), valve exhaust terbuka. Pergerakan ke atas dari piston akan memaksa gas hasil pembakaran memasuki exhaust manifold. Beberapa saat setelah langkah exhaust selesai, valve exhaust tertutup dan valve inlet terbuka sebagai persiapan untuk siklus berikutnya. Diperlukan dua putaran crankshaft untuk melakukan siklus empat-langkah. Engine internal combustion memerlukan jumlah udara yang mencukupi untuk membakar fuel. Sistem pemasukan udara harus menyediakan udara bersih yang cukup untuk proses pembakaran. Rancangan sistem pemasukan udara harus memastikan tidak terjadinya kebocoran udara dan memastikan hambatan minimum bagi aliran udara. Tujuan sistem exhaust adalah membuang panas dan mengeluarkan gas hasil pembakaran dari engine menuju atmosfer. Rancangan sistem ini harus memastikan lancarnya aliran gas buang dan memastikan tingkat kebisingan memenuhi standar yang tepat.



18 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Exhaust back pressure yang berlebihan akan merusak performa engine dimana diperlukan lebih banyak power untuk menekan gas pembakaran keluar dari engine. Ini terlihat dengan adanya power loss dan peningkatan pemakaian fuel. Indikasi lain dari meningkatnya exhaust back pressure adalah suhu coolant yang lebih tinggi dari normal, karena diperlukan pendinginan yang lebih akibat tekanan dan temperatur gas exhaust yang lebih tinggi.



Tipe Air Intake & Exhaust System



Gambar 9.5 Tipe system pemasukan udara



Terdapat tiga tipe sistem pemasukan udara (Gambar 9.5):



Naturally aspirated Sistem pemasukan udara yang tidak memiliki turbocharge atau after-cooler dikenal sebagai system naturally aspirated atau NA. System ini jarang digunakan pada engine diesel sekarang. Sistem ini hanya bergantung pada gerak turun piston, menciptakan area bertekanan rendah untuk menghisap udara melalui sistem pemasukan udara.



Turbocharged Sistem ini dikenal sebagai sistem Turbocharger (T). Gas exhaust menggerakkan sebuah turbocharger yang mengalirkan udara masuk ke dalam engine.



Turbocharged dan aftercooled Pada engine Caterpillar sekarang ini, sistem ini adalah yang paling umum. Sistem ini juga dikenal sebagai sistem TA yang memiliki turbocharger dan after cooler. Sistem ini dapat menggunakan beberapa jenis aftercooler yang berbeda, seperti JWAC, ATAAC dan SCAC.



19 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



KOMPONEN AIR INTAKE SYSTEM



Gambar 9.6



Fungsi Air Intake System Engine diesel membutuhkan sejumlah udara yang cukup untuk membakar fuel. Sistem pemasukan udara harus menyediakan udara bersih yang cukup untuk pembakaran. Oleh karena itu rancangan sistem pemasukan udara harus memadai untuk mencegah kebocoran ke dalam sistem dan meminimalkan hambatan. Setiap hambatan pada aliran udara atau gas buang yang melalui air intake & exhaust system akan mengurangi performa engine.



Pre-cleaner



Gambar 9.7 Precleaner



Pre-cleaner dipasang sebelum air cleaner/air filter (Gambar 9.7). Fungsi pre-cleaner adalah untuk mengumpulkan contaminant yang berukuran besar sebelum mencapai air cleaner. Hal ini akan menambah usia pakai air cleaner. Tipe pre-cleaner yang paling sederhana adalah sebuah mesh cap di atas inlet air filer housing.



20 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Donaspin Pre-cleaner



Gambar 9.8 Donaspin precleaner



Donaspin pre-cleaner (Gambar 9.8) dirancang untuk menyaring contaminant yang berukuran besar dari udara masuk. Contaminant akan dilempar secara spiral oleh gaya sentrifugal, menumbuk clear cover dan berkumpul pada bagian dasar. Setelah contaminant terlihat menumpuk pada bagian dasar, maka pre-cleaner perlu dibersihkan. Cyclone Tube Exhaust Dust Ejected Pre-cleaner



Gambar 9.9 - Cyclone Tube Exhaust Dust Ejected Pre-cleaner



Pada earthmoving machine, contaminant pada pre-cleaner dapat dibersihkan melalui muffler menggunakan beda tekanan yang diciptakan oleh exhaust system (Gambar 9.9).



21 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Gambar 9.10 Dust ejected precleaner



Keuntungan sistem ini dibandingkan pre-cleaner konvensional (Gambar 9.10), adalah partikel-partikel dibawa keluar oleh exhaust gas, sehingga tidak diperlukan perawatan secara manual untuk membersihkan pre-cleaner. Donaldson Fin Cyclopac



Gambar 9.11 Donaldson fin cyclopac precleaner



Pada pre-cleaner Donaldson Fin Cyclopac (Gambar 9.11), udara yang masuk dipaksa untuk memutari steel casing dari filter assembly oleh sirip plastik elemen filter. Hal ini akan menciptakan pergerakan melingkar, memaksa partikel-partikel besar ke sisi luar oleh gaya sentrifugal. Partikel-partikel besar dipaksa keluar menuju steel casing kemudian turun ke bagian dasar dan dikeluarkan melalui penutup pada bagian bawah.



22 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Donaldson Donacline SBG



Gambar 9.12 Donaldson donacline SBG precleaner



Pada pre-cleaner Donaldson Donacline SBG (Gambar 9.12), vane di dalam tube menghasilkan putaran cyclone yang menyebabkan partikel-partikel besar terlempar ke luar. Partikel-partikel tersebut kemudian turun ke dust cap. Partikel-partikel ini kemudian dibersihkan dengan menggunakan peralatan vacuum atau secara manual. Dust Tube



Gambar 9.13 Dust tube



Gambar 9.13 adalah sebuah tampilan jarak dekat tentang bagaimana sebuah dust tube bekerja. Udara masuk melalui saluran spiral menuju bagian bawah dust tube, kemudian dihisap naik melalui intake tube bagian tengah. Partikel-partikel besar diputar dan dipisahkan dari udara kemudian dikumpulkan pada dust cup.



23 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Drum Tipe pre-cleaner lain yang digunakan pada peralatan Caterpillar adalah spirally faned drum. Vane menyebabkan udara yang masuk dipaksa berputar dan menyebabkan debu terpisah dengan udara ke bagian sisi luar karena partikel debu lebih berat dari udara, kemudian partikel debu berkumpul pada sebuah penampung. Udara bersih mengalir menuju air cleaner melewati bagian tengah tube. Pre-cleaner harus diperiksa dan dibersihkan setiap hari.



Air Cleaner



Gambar 9.14 Air cleaner



Pemasangan vacuator valve pada dust cup akan mengurangi perawatan berkala dust cup, karena valve akan secara otomatis membuang debu dan air. Vacuator valve terbuat dari karet dan terpasang di bagian bawah dust cup, sebagaimana terlihat pada Gambar 9.14. Walaupun normalnya dust cup sedikit mengalami vacuum saat engine running, efek vacuum akan membuka dan menutup valve sehingga membantu membuang debu dan air. Vacuator valve juga akan membuang debu saat engine berhenti. Udara dari pre-cleaner akan menuju engine melewati Air Cleaner (Gambar 9.14). Air cleaner menjadi rumah bagi filter element yang memisahkan udara dari material asing yang lebih halus sebelum menuju engine. Terdapat beberapa tipe air cleaner yang tersedia pada engine Caterpillar. Rangkaian yang diperlihatkan pada Gambar 9.14 terdiri atas susunan vane sederhana yang memutar udara dan membuang partikel oleh efek cyclone ke bagian bawah housing. Rangkaian vacuator valve yang bergetar membantu membuang partikel-partikel tersebut.



CATATAN: Selalu mengacu ke Operation and Maintenance Manual dari engine untuk prosedur perawatan yang paling tepat.



24 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Air Cleaner Elemen Kering



Gambar 9.15 - Air Cleaner Elemen Kering



Air cleaner elemen kering (Gambar 9.15) adalah tipe paling umum dari air cleaner yang digunakan pada engine Caterpillar. Air cleaner elemen kering biasanya terbuat dari elemen kertas yang digunakan untuk menyaring kotoran pada udara.



Gambar 9.16 – Pembersihan



Air cleaner elemen kering (Gambar 9.16) biasanya dapat dibersihkan dengan udara kering yang disaring dengan tekanan maksimum 207 kPa (30 psi). Elemen harus dibersihkan dari bagian dalam ke luar.



CATATAN: Kebanyakan lokasi tambang melarang tindakan pembersihan filter dengan udara bertekanan. Beberapa perusahaan menawarkan pembersihan dan/atau pertukaran elemen yang telah dibersihkan. Saat melakukan tindakan ini, pastikan untuk mengenakan safety glass dan breathing mask.



25 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Air cleaner heavy duty yang digunakan pada beberapa machine, memiliki sebuah secondary element di dalam primary element, yang berfungsi sebagai back up dan meningkatkan efisiensi pembersihan udara. Tanpa penggunaan secondary element, bisa terjadi kerusakan engine yang parah akibat masuknya kotoran, jika primary element rusak. Air Filter Caterpillar dengan New Radial Seal



Gambar 9.17 Air filter caterpillar



Perawatan Air Cleaner



Gambar 9.18 –Service Indicator



Air cleaner engine harus dirawat secara berkala. Banyak air cleaner yang dilengkapi dengan service indicator (Gambar 9.18). Indicator memonitor jumlah hambatan yang melewati air cleaner. Service indicator adalah metode yang paling akurat untuk menentukan kapan air cleaner perlu dilakukan perawatan.



26 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Indicator/Pressure Gauge



Gambar 9.19 Pressure gauge/Indicator



Indicator/Pressure gauge (Gambar 9.19) biasanya memiliki warna hijau atau kuning sebagai indikasi bahwa sistem bekerja dengan baik. Warna merah mengindikasikan pembacaan kevakuman tinggi dalam incH2O. Filter Indicator



Gambar 9.20 Filter Indicator



Jika indicator kuning telah mencapai zona merah dari filter indicator (Gambar 9.20), maka ini adalah waktu untuk membersihkan/mengganti elemen air cleaner.



Kondisi Operasi



Gambar 9.21 Kondisi operasi



Kondisi operasi akan mempengaruhi batasan waktu perawatan air filter (Gambar 9.21).



27 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Gambar 9.22 Perawatan air intake system



Sebelum melakukan perawatan pada air intake system, yang perlu diperhatikan adalah sbb: • Matikan engine, dan pasang danger tag pada ignition key (Gambar 9.22) • Lepaskan element air cleaner dan tutup saluran intake • Bersihkan element menjauh dari saluran intake engine • Periksa kerusakan yang mungkin terjadi pada element filter, misalnya dengan menggunakan cahaya • Reset indicator air filter. Element air cleaner engine harus dirawat, dibersihkan atau diganti jika diafragma kuning memasuki zona merah atau piston merah terkunci, yang berarti bahwa service indicator telah trip. Pembersihan bisa dilakukan menggunakan udara, air atau detergen. Terlambat membersihkan (over-servicing) bisa juga mempengaruhi efisiensi dari filter. Terlalu lama disemprot dengan udara bertekanan dapat membuat lubang kecil pada element filter, yang mengakibatkan masuknya kotoran. Pembersihan dengan udara bertekanan berhubungan dengan peraturan lingkungan setempat karena partikel silikon dapat menyebar kemana-mana.



EXHAUST SYSTEM Fungsi Exhaust System Fungsi exhaust system adalah untuk membuang gas hasil pembakaran dari engine dan membuangnya ke atmosfer. Rancangan sistem ini harus memastikan seminimal mungkin hambatan aliran terhadap exhaust gas dan sekecil mungkin tingkat kebisingan yang terjadi untuk memenuhi standar tertentu.



Komponen Exhaust System Inlet Manifold



Gambar 9.23 Inlet Manifold



28 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Dari air cleaner dan turbocharger/after-cooler jika terpasang, udara masuk ke inlet manifold (Gambar 9.23) dan diarahkan ke inlet port untuk masing-masing cylinder.



Exhaust Manifold



Gambar 9.24 Exhaust manifold



Exhaust gas dari cylinder melewati exhaust port menuju exhaust manifold (Gambar 9.24) dan kemudian dialirkan ke exhaust system.



Muffler Muffler atau silencer digunakan di exhaust system untuk mengurangi tingkat kebisingan exhaust dengan menggunakan internal baffling. Ketika exhaust gas mengalir melalui muffler, maka kecepatannya akan menurun dan tekanannya meningkat. Semakin efektif sebuah silencer/muffler, maka semakin besar back-pressure yang terjadi di dalam sistem. Oleh karena itu, pemilihan muffler oleh pabrik pembuat merupakan suatu pertimbangan antara pengurangan kebisingan dan peningkatan back-pressure. Dua tipe dari exhaust muffler yang paling umum digunakan adalah tipe straight-through dan reverse-flow. Muffler Straight-through



Gambar 9.25 Muffler straight through



Rancangan muffler straight-through, sebagaimana terlihat pada Gambar 9.25, membawa exhaust gas langsung melewati muffler melalui perforated tube, yang diselubungi oleh material peredam suara. Exhaust gas melalui lubang-lubang di perforated tube dan melewati material peredam suara (umumnya serutan logam atau glass wool). 29 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Proses ini menurunkan frekwensi getaran exhaust gas yang berakibat menurunkan pitch suara exhaust gas. Terdapat sedikit back-pressure pada rancangan muffler jenis ini, sehingga cocok digunakan pada engine diesel dua-langkah. Muffler Reverse-flow



Gambar 9.26 Muffler reverse flow



Muffler reverse-flow seperti terlihat pada Gambar 9.26, menurunkan tingkat kebisingan dengan meneruskan gas exhaust bolak-balik melewati expansion chamber di dalam muffler. Hasilnya adalah mengurangi tekanan dan suhu exhaust gas saat melewati baffles dan tube, dimana turbulance dihilangkan dan tingkat kebisingan dikurangi. Tingkat pengurangan kebisingan pada muffler reverse-flow bisa bervariasi berdasarkan ukuran expansion chamber di dalam muffler. Jika membandingkan rancangan muffler reverse-flow dengan muffler straight-through, tipe reverse-flow dapat mencapai tingkat kebisingan yang lebih rendah. Muffler Spark Arrester



Gambar 9.27 Muffler spark arrester



Muffler reverse-flow dan divariasikan rancangannya sehingga dapat bertindak sebagai spark arrester bagi engine yang beroperasi di dekat bahan yang mudah terbakar. Muffler tipe ini memiliki dua fungsi yaitu sebagai unit peredam suara dan juga memadamkan tiap bagian karbon yang terbakar yang dapat muncul di exhaust gas. Pada gambar 9.27 bagian dalam spark arrester disebut ‘lip screen’. Saat gas exhaust mengalir melewati screen, gas exhaust akan memutar screen, sehingga memaksa setiap percikan mengarah ke dinding muffler, dimana percikan dipadamkan. Pada beberapa peralatan tambang bawah tanah, dibuat perlengkapan khusus untuk memadamkan percikan di area high fire-hazard. Rancangn muffler yang digunakan pada peralatan seperti ini adalah tipe basah yang memungkinkan gas exhaust untuk bercampur dengan air sehingga memadamkan percikan, mendinginkan exhaust dan menurunkan tingkat kebisingan. 30 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Exhaust Back Pressure Exhaust back pressure adalah tekanan yang tercipta di exhaust manifold akibat hambatan aliran gas exhaust saat mengalir melalui muffler dan pipa exhaust. Peningkatan back pressure di sistem exhaust dapat disebabkan oleh muffler yang tersumbat sebagian, ukuran pipa exhaust yang tidak tepat, pipa exhaust yang terlalu panjang, terlalu banyak bengkokan di pipa atau hambatan di pipa. Untuk memaksimalkan efisiensi engine, maka back pressure exhaust harus sekecil mungkin. Back pressure yang terlalu tinggi menyebabkan exhaust overheating dan kehilangan power yang sangat penting. Untuk mengukur back pressure exhaust direkomendasikan menggunakan manometer yang berisi air untuk keakuratan maksimum atau untuk panduan umum dapat digunakan gauge bertekanan rendah. Pengukuran harus diambil dengan engine pada kondisi full load (fuel maksimum). Titik pengukuran normal adalah di elbow outlet dari turbocharger. Spesifikasi nilai maksimum yang umum untuk engine diesel Caterpillar yang terpasang ke machine adalah 27 in. (686 mm) H2O atau 6,75 kPa dan 34 in.H2O (864 mm) atau 8,5 kPa.



Exhaust Stack



Gambar 9.28 Exhaust stack



Exhaust stack (Gambar 9.28) berhubungan langsung dengan muffler dan membawa gas exhaust ke atmosfer. Beberapa model machine menggunakan exhaust stack yang dipasang rain trap. Rain trap ini mencegah hujan memasuki engine melalui muffler dan turbocharger saat machine dimatikan. Exhaust gas memaksa trap terbuka saat machine beroperasi.



Catalytic Converter Catalytic converter terpasang di sistem exhaust sama seperti muffler. Digunakan pada kendaraan petrol yang menggunakan fuel tanpa timah (unleaded) untuk mengurangi emisi. Catalyitic converter tidak digunakan pada engine diesel.



31 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Gambar 9.29 Catalytic converter



Converter ini (Gambar 9.29) adalah sebuah struktur sarang lebah yang dilapisi secara kimia dengan lapisan tipis Platinum dan Rhodium. Elemen-elemen ini bertindak sebagai katalis untuk sebuah rekasi kimia yang akan mengubah gas berbahaya menjadi gas tidak berbahaya. Reaksi ini tidak mempengaruhi material di converter selama operasi normal. Converter tidak boleh digunakan dengan fuel bertimah (leaded) karena converter akan terkontaminasi dan menjadi tidak berfungsi. Untuk beroperasi secara benar, converter tidak boleh kelebihan panas akibat fuel rasio yang tidak tepat atau misfire. Converter mengubah tiga gas pencemar menjadi gas tidak berbahaya. • • •



Karbon Monoksida diubah menjadi Karbon Dioksioda. Hidrokarbon diubah menjadi air. Nitrogen Oksida diubah menjadi Nitrogen.



Catalytic Reduction Untuk memenuhi standar emisi yang akan diwajibkan pada tahun 2008, maka akan membawa pada pengenalan sistem after-treatment gas exhaust pada kendaraan Heavy Duty. Pabrik pembuat kendaraan Heavy Duty telah memilih tekhnologi Selective Catalytic Reduction (SCR) dan memutuskan untuk mengenalkan sistem SCR sebagai kombinasi dengan penggunaan ures aqueous solution (32,5% urea di air) sebagai reagent (bahan rekasi). Tekhnologi ini adalah satu-satunya yang menawarkan solusi dari dilema trade-off antara tingkat emisi exhaust dan pemakaian fuel. Pengujian lapangan dan daya tahan yang lebih telah memastikan keefektifan dan kehandalannya. Tekhnologi SCR juga satu-satunya tekhnologi after-treatment gas exhaust yang dapat diaplikasikan pada semua engine dan semua aplikasi. Pemakaiannya akan membutuhkan pemasangan dispenser urea solution di fasilitas pengisian fuel kendaraan untuk memastikan tersedianya reagent yang dibutuhkan untuk mengubah oksida dari nitrogen (NOx) di N2. Dengan dukungan dari asosiasi dagangnya, pabrik pembuat kendaraan heavy duty mencari koperasi industri yang aktif di bidang produksi dan distribusi urea dan perusahaan perminyakan untuk mewujudkannya.



32 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Kendaraan komersial heavy duty sekarang ini dilengkapi secara ekslusif dengan engine diesel sebagai hasil daya tahan tingkat tingginya dan pemakaian fuel yang rendah. Namun, kemajuan dalam standar emisi untuk engine heavy-duty menghasilkan sebuah dilema: untuk tingkat tekhnologi yang diberikan, emisi NOx dan pemakaian fuel yang harus seimbang. Dengan kemajuan tekhnologi diesel, para insinyur harus mengorbankan peningkatan potensial dalam pemakaian fuel untuk mematuhi nilai batas emisi NOx yang lebih ketat. Lagipula tingkat emisi yang tidak lama lagi akan sangat rendah akan mencapai suatu nilai yang tidak bisa hanya bertemu dengan tekhnologi engine dasar. Sehingga di tahun-tahun yang akan datang, lebih banyak upaya dikonsentrasikan dalam pengembangan sistem after-treatment gas exhaust untuk engine diesel untuk mencapai pengurangan yang sangat banyak dalam hal emisi exhaust tanpa harus berkompromi dengan tingkat dayaguna pemakaian fuel.



Pilihan Secara Tekhnologi Batasan sistem sedang diteliti untuk mengurangi emisi engine diesel, seperti: • • •



Sistem Selective Catalytic Reduction menggunakan hidrokarbon yang ada di aliran exhaust atau dengan menyuntikkan hidrokarbon atau menggunakan berbagai bahan pengurang. Pemakaian filter di diesel. Penyerap NOx.



Sebuah sistem after-treatment gas exhaust untuk engine diesel harus memenuhi kriteria berikut: - Keefektifan tinggi pada harga yang masuk akal. - Kehandalan optimum. - Performa yang stabil pada daya tahan yang tinggi. - Pengaruh yang bisa diabaikan pada pemakaian fuel. - Kesesuaian optimum pada tekhnologi engine dan sistem after-treatment lainnya. Di antara semua sistem yang ada, satu-satunya yang terbukti memenuhi semua kriteria di atas adalah Selective Reduction Catalyst menggunakan larutan urea sebagai bahan reaksi.



Selective Catalyst Reduction (SCR)



Gambar 9.30 SCR



33 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Gambar 9.30 menunjukkan susunan sistem SCR yang rumit (beberapa komponen, seperti oxidation catalyst, merupakan bagian optional pada sistem SCR), menggunakan 32,5 % larutan urea di air sebagai bahan aktif.



Gambar 9.31 System SCR



Gambar 9.31 memuat daftar berbagai reaksi kimia, yang terjadi sepanjang sistem. Tekhnologi SCR untuk mengurangi nitrogen oksida (NOx) dipakai di seluruh dunia sebagai sistem aftertreatment untuk pembangkit tenaga dan tungku pembakar sampah. Amonia (NH3) dapat juga digunakan secara langsung sebagai bahan reaksi, tetapi larutan urea di air sejauh ini adalah bahan reaksi terbaik karena tidak beracun dan tidak ada hambatan dalam pengirimannya menggunakan kereta, mobil angkutan atau kapal. Lagipula, urea adalah produk yang banyak digunakan di bidang agrikultur dan industri serta urea banyak tersedia dengan berbagai tingkat kualitas. Katalis oksidasi dapat digunakan untuk meningkatkan efisiensi SCR dengan mengubah NO menjadi NO2 dan dengan mengoksidasi CO dan hidrokarbon. Dosis larutan urea yang tepat dan strategi yang tepat selama mode transient mencegah masuknya NH3. Tekhnologi SCR, dengan mengubah secara langsung NOx menjadi N2 di luar engine, memungkinkan terpeliharanya engine yang berhubungan dengan pemakaian fuel dan pembentukan polutan selama proses pembakaran. Juga memungkinkan untuk: -



-



Memenuhi standar emisi dan pada saat yang sama, mencapai tingkat pemakaian fuel yang lebih rendah 7% dibandingkan engine sejenis, sementara pemakaian larutan urea akan menambah 3% hingga 4% pemakaian fuel. Memenuhi standar emisi dan pada saat yang sama, mencapai tingkat pemakaian fuel yang lebih rendah 6% dibandingkan engine sejenis, sementara pemakaian larutan urea akan menambah 5% hingga 7% pemakaian fuel.



Pengujian lapangan yang banyak telah menunjukkan bahwa keefektifan sistem SCR akan tetap stabil bahkan jika dipasang pada kendaraan heavy-duty yang beroperasi sampai beberapa ratus ribu kilometer.



34 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Diesel Particle Filter



Gambar 9.32 – Diesel Particle Filter



Gambar 9.32 menunjukkan prinsip kerja sebuah contoh Diesel Particle Filter (DPF). Partikelpartikel terperangkap pada dinding di dalam filter. Tekhnologi DPF menawarkan kemungkinan untuk memenuhi standar emisi masa depan. Untuk melepas partikel dari dinding filter, filter harus diregenerasi secara periodik dengan konsep pembangkitan aktif atau pasif. Konsep regenerasi pasif memanfaatkan pola pergerakan (terjadi secara alami atau diciptakan dengan memundurkan injection timing, atau post injection, atau menambah udara untuk pencampuran fuel, atau menambah aditif ke fuel) selama suhu gas exhaust mencapai nilai yang cukup tinggi untuk menghasilkan regenerasi filter. Meskipun regenerasi filter dilakukan secara terprogram, penumpukan partikel secara berlebih di dinding filter masih bisa terjadi. Hal ini akan menyebabkan regenerasi yang tidak terkendali yang menghasilkan suhu sangat tinggi pada satu tempat dan menimbulkan keretakan dinding bagian dalam filter. Frekuensi kegagalan saat ini untuk kendaraan yang dipilih dengan jarak 300.000 km adalah 5% hingga 10%. Filter DP sangat sensitif terhadap kandungan sulfur di dalam fuel dan kandungan debu di oli pelumas. Sulfur dan debu merupakan sumber partikel yang terperangkap oleh dinding filter tetapi tidak bisa terbakar selama regenerasi dan harus dihilangkan secra mekanis dengan menggunakan pembersih filter pneumatic. Bahkan dengan kandungan sulfur pada fuel sebesar 10 ppm, akan memendekkan interval pembersihan DFP (50.000 – 80.000 km) pada kendaraan heavy-duty. Tekhnologi DFP yang lain yang juga menjanjikan menggunakan NO2 untuk menurunkan suhu dimana regenerasi filter terjadi. Sebuah katalis oksidasi diposisikan sebelum DPF, merubah sebagian besar NO di aliran gas exhaust menjadi NO2 yang kemudian akan bereaksi dengan karbon dari partikel untuk menghasilkan CO2 dan N2. Karena tidak semua NO2 bereaksi dengan partikel yang terperangkap di dinding filter, emisi NO2 setelahnya sepuluh kali lebih tinggi dibandingkan engine diesel konvensional dengan tingkat emisi NOx yang sama. Oleh karena itu, engine yang dilengkapi dengan tekhnologi DPF tidak bisa dijalankan pada lingkungan tertutup karena peraturan kesehatan dan keselamatan kerja. Penjelasan di atas benar-benar menunjukkan bahwa tekhnologi DPF belum bisa diaplikasikan pada semua aplikasi dan belum cukup matang untuk aplikasi heavy duty.



35 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Lean NOx Trap



Gambar 9.33a – Lean NOx Trap. Penyimpanan NOx pada kondisi miring.



Gambar 9.33b – Lean NOx Trap. Regenerasi pada kondisi kaya.



Gambar 9.33a dan 9.33b menunjukkan prinsip kerja Lean NOx Trap (LNT). Banyak permasalahan masih harus dijawab sebelum tekhnologi LNT dapat ditetapkan sebagai pilihan untuk kendaraan Heavy-Duty komersial. Katalis LNT sangat sensitif terhadap kandungan sulfur dari fuel. Sedikit saja sulfur di dalam fuel dapat mempengaruhi keefektifan, daya tahan dan pemakaian fuel. Ukuran LNT untuk aplikasi pada engine heavy-duty akan sangat besar. Konsekuensinya, LNT akan membutuhkan siklus pemisahan/perubahan teratur dalam hubungannya dengan peningkatan pemakaian fuel yang tinggi (nilai perkiraan untuk kendaraan heavy-duty komersial: +5% hingga +7%). Untuk memenuhi standar emisi Euro IV, mungkin masih akan diperlukan tambahan DPF. Pada akhirnya LNT adalah sebuah tekhnologi yang mahal akibat banyaknya pemakaian logam berharga. Sebagai pengganti catalytic converter, diesel particle filter atau lean NOx trap, harus dipertimbangkan dengan spesifikasi pabrik untuk pengujian pada jadwal penggantian.



FORCED AIR INTAKE SYSTEM Terdapat berbagai cara untuk menaikkan output engine. Output engine, untuk ukuran cylinder engine yang diberikan, ditentukan oleh jumlah percampuran fuel yang terbakar selama tiap langkah pembakaran. Karenanya, metode paling efektif dalam menaikkan output engine adalah mendapatkan pencampuran fuel dan udara yang lebih banyak ke dalam cylinder.



36 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Cara paling efektif dalam mencapai hal ini adalah dengan memberikan tekanan positif, atau memaksa udara memasuki ruang bakar. Hal ini dicapai dengan turbocharging atau supercharging, yang menaikkan volumetric efficiency dari engine. Volumetric efficiency ditetapkan dengan rumus berikut. VE =



Airflow (meter kubik per menit) x 2000 Displacement (liter) x rpm



Engine diesel yang dirancang dengan baik, naturally aspirated, empat-langkah, overhead valve memiliki volumetric efficiency sekitar 85%. Engine diesel dengan turbocharger atau supercharger memiliki volumetric efficiency sekitar 130%. Dengan kata lain, turbocharging atau supercharging memeberikan tenaga output lebih besar dari engine yang lebih kecil. Keuntungan lainnya adalah meningkatkan fuel efficiency, pembakaran yang lebih sempurna dan pengurangan polutan.



Komponen-komponen



Gambar 9.34 Komponen force air intake system



Sistem air induction dan exhaust mempunyai komponen-komponen berikut (Gambar 9.34): 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.



Precleaner Air cleaner Turbocharger Intake manifold After-cooler Exhaust manifold Exhaust stack Muffler.



TURBOCHARGER Turbocharger memiliki dua fungsi: 1. Menormalkan suplai udara 2. Menaikkan suplai udara ke engine.



37 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Menormalkan berarti menjaga suplai udara tetap normal untuk engine naturally aspirated pada permukaan laut. Saat engine beroperasi pada ketinggian di atas permukaan laut, kerapatan udara menjadi berkurang dan turbocharger dibutuhkan untuk mensuplai lebih banyak udara. Fuel setting harus dikurangi saat kerapatan udara berkurang untuk menghindari over-fuel. Beberapa turbocharger memilliki waste gate yang memungkinkan gas exhaust melintasi sekitar turbocharger saat boost mencapai tekanan tertentu. Hal ini memungkinakan engine untuk beroperasi pada bermacam ketinggian dan tetap stabil dengan mengatur suplai udara. Technician harus menyadari bahwa saat turbocharger mampu mengumpulkan udara pada ketinggian yang lebih tinggi untuk memberikan suplai oksigen normal dan tenaga normal, maka kecepatan turbocharger yang lebih tinggi dibutuhkan untuk melakukan hal tersebut. Untuk operasi di atas 2.100 meter (7.000 feet) maka sering disarankan mengurangi rating (de-rating) fuel untuk menghindarii overspeed turbocharger. Keuntungan menggunakan turbocharger yang lain adalah pembakaran yang lebih baik dan emisi yang lebih bersih. Fungsi kedua dari turbocharger adalah menaikkan suplai udara berlebih ke engine. Hal ini memungkinkan untuk menaikkan setting fuel dan tetap memberikan pembakaran yang lebih baik. Pembakaran yang lebih baik berarti bukan hanya fuel economy yang lebih baik, tetapi juga emisi exhaust yang lebih bersih. Sistem Pelumasan



Gambar 9.35 Sistem pelumasan turbocharger



Sistem pelumasan (Gambar 9.35) juga sangat penting untuk operasi turbocharger yang bebas masalah karena sistem ini melakukan tiga fungsi utama: melumasi, mendinginkan dan membersihkan. Gangguan suplai oli hanya beberapa detik saja dapat menyebabkan hasil yang sangat merusak. Sangatlah penting sejumlah oli yang cukup terus mengalir melalui turbocharger untuk memberikan pelumasan kepada sistem bearing full floating dan untuk membuang panas. Terdapat berbagai cara dimana pelumas dapat dihambat atau hilang sebelum mencapai turbocharger. Pelumas dapat mengandung partikel abrasif besar yang dapat menutup lapisan film dan menyebabkan kerusakan terhadap part yang berputar. Tidak hanya harus ada sejumlah pelumas yang cukup, tetapi kualitasnya juga harus baik.



38 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Sebelum memeriksa sebuah turbocharger yang rusak, kumpulkan fakta dasar seputar jumlah dan kualitas sistem pelumasan seperti: 1. Tipe dan kekentalan oli yang digunakan. 2. Level oli di dipstick engine. (Oli di jalur masuk ke turbocharger dari sistem pelumasan engine). 3. Evaluasi oil filter, termasuk bagian yang terbuka dan periksa elemen kertasnya. 4. Sample oli SOS. 5. Komentar operator tentang tekanan pelumasan engine atau masalah lain sebelum kerusakan. Hambatan Aliran Udara



Gambar 9.36 Hambatan aliran udara



Masalah pada air inlet dan exhaust system (Gambar 9.36) mengakibatkan berbagai masalah. Sebagai contoh, jika hambatan air inlet terlalu tinggi: 1. Pembebanan akhir yang berlebihan dapat terjadi dan menyebabkan percepatan keausan thrust bearing. 2. RPM turbocharger akan meningkat secara signifikan. Suhu exhaust yang tinggi melebihi normal akan menyebakan masalah pelumasan terbatas dan kerusakan metalurgi. Material asing dapat masuk ke turbocharger dari sistem inlet atau exhaust. Technician harus selalu mengumpulkan informasi dasar tentang air inlet dan exhaust sistem saat menginvestigasi kerusakan turbocharger. Komponen-Komponen Turbocharger Turbocharger adalah komponen yang berputar dengan bebas (free-spinning) dan sering berputar lebih cepat dari 80.000 rpm. Pada rpm puncak, kecepatan pada permukaan bearing journal dapat lebih besar dari 30 meter (100 kaki) per detik, dan energi yang tersimpan di dalam komponen-komponen yang berputar dapat menyamai horsepower engine. Kondisi ini menuntut keseimbangan yang mendekati sempurna dan kesejajaran dari semua bagian yang bergerak, sebagaimana pengoperasian yang tepat dan pemeliharaan lingkungan. Walaupun masalah-masalah pada turbo dapat menyebabkan kerusakan, biasanya masalah sederhana dari lingkungan kerja seperti udara masuk yang terhambat, lebih banyak menyebabkan kerusakan.



39 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Gambar 9.37 Turbocharger



Gambar 9.38 Turbocharger



Turbocharger (Gambar 9.37 dan Gambar 9.38) ditemukan oleh orang Swiss bernama Buchi di tahun 1906 dan telah dikembangkan dari waktu ke waktu dalam bermacam bentuk. Hanya dalam tiga dekade terkahir ini turbocharger telah dikembangkan sehingga memiliki tingkat ketahanan dan performa yang tinggi dan dipasang untuk terus-menerus meningkatkan efisiensi engine internal combustion. Bagian-bagian



Gambar 9.39 – Bagian-bagian turbocharger



Turbocharger terdiri atas tiga bagian, rotor assembly, turbine housing (digerakkan oleh exhaust) dan compressor housing (sisi intake), sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 9.39. Rotor assembly terdiri dari dua plain bearing, piston-ring-tipe seal, retainer, thrust bearing, turbine dan compressor wheel. Juga terdapat jalur untuk suplai dan pembuangan oli.



40 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Bagian Melintang



1



7



2 



8 9



3



10



4



5



6



Gambar 9.40 – Gambar melintang sebuah turbocharger



1. 2. 3. 4. 5.



Turbine backing plate Turbine wheel Air space Center shaft Sleeve bearing



6. 7. 8. 9. 10.



Oil Deflector Insert Thrust sleeve Thrust bearing Compressor wheel



Struktur turbocharger adalah sebagai berikut: - Turbine (exhaust) dan compressor (inlet) wheel terpasang pada shaft - Shaft disangga oleh journal bearing dan thrust bearing - Heat shield menahan panas dari center housing - Oli engine memberikan pendinginan sebagaimana juga pelumasan. Saat terangkai, compressor wheel, center shaft, dan turbine wheel menjadi satu kesatuan utuh yang berputar di journal bearing free-floating. Sebuah thrust bearing yang diam terletak di dekat compressor wheel mengatur end play. Turbocharger yang lebih besar mempunyai dua journal bearing yang terpisah, sementara beberapa unit yang lebih kecil memepunyai bearing cardtridge tunggal. Thrust washer diposisikan di tiap sisi thrust bearing dengan spacer di tengah. Saat compressor wheel terpasang, retaining nut menekan wheel, thrust washer dan spacer melawan shoulder di center shaft, menyebabkan semua komponen menjadi sebuah rangkaian berputar. Semua bearing berputar di atas bantalan oli selama operasi. Turbine back plate, atau heat shield, dan air space di belakangnya berfungsi sebagai penyekat untuk mencegah suhu panas exhaust memasuki center housing. Oli pelumas membuang panas yang merambat ke center shaft dari turbine wheel dan bearing. Walaupun suhu pada turbine wheel bisa setinggi 760OC (1400OF), suhu normal di journal bearing di bawah 150OC (300OF) karena efek pendinginan dari oli pelumas. Part yang berputar harus diseimbangkan dengan sangat hati-hati. Hal ini berarti bahwa keseimbangan komponen yang diperlukan harus tepat. Keseimbangan komponen adalah keseimbangan tiap individu part terhadap garis tengah.



41 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Rangkaian komponen berhubungan dengan ketegaklurusan dan kesejajaran dari komponen terangkai. Ketegaklurusan menunjukkan kesiku-sikuan permukaan relatif terhadap lubang (bore), sementara kesejajaran menunjukkan kelurusan (alignment) pemukaan ujung komponen. Jika kedua aspek ini tidak benar, saat nut compressor wheel dikencangkan, beban renggang (tensile) di tengah shaft tidak akan aksial, sehingga dapat membengkokkan shaft dan menghasilkan ketidakseimbangan yang serius. Keseimbangan komponen individu dan rangkaian komponen harus diatur dengan sangat hati-hati. Selama rekondisi dan perbaikan di lapangan fakta-fakta ini harus diingat dan kehati-hatian dilakukan saat menangani dan merangkai bagian yang berputar. Pengelasan dan Pengerasan



Gambar 9.41 Center shaft dan turbine wheel



Centershaft dan Turbine Wheel Bagian-bagian turbo dibuat untuk tahan terhadap panas dan beban yang diberikan selama operasi. Shaft dan turbine wheel dapat disatukan bersama secara inertial (spin) weld dan electron beam weld. Center shaft dan turbine wheel dibuat terpisah dan kemudian disatukan bersama dengan salah satu dari dua proses: friction atau electron beam weld. Center shaft dan turbine wheel yang ditunjukkan di Gambar 9.41 disatukan dengan inertial weld kemudian dikeraskan dan diseimbangkan. Center shaft dibuat dari baja berkekuatan tinggi yang sangat magnetik. Setelah disatukan dengan inertial weld ke hot wheel, shaft dikeraskan secara induksi, shaft ini tidak dirancang untuk tahan panas dan tidak boleh terkena suhu tinggi dimana bearing terpasang, untuk mencapai kekerasan sekitar Rockwell C-55. Turbine wheel terbuat dari logam tuang campuran nikel yang mengandung lebih dari 10% krom dan kurang dari 1% besi tuang. Logam ini pada dasarnya nonmagnetik dan dapat tahan terhadap suhu tinggi tanpa mengalami penurunan kualitas.



42 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Compressor Wheel Compressor wheel dibuat dari logam campuran aluminium yang bermutu dan berkekuatan tinggi. Perlakuan khusus diberikan dalam memproses logam campuran ini untuk menghindari pengelupasan dan masuknya material asing yang dapat melemahkannya dan menyebabkan keretakan. Logam ini tidak dirancang untuk tahan terhadap panas dan tidak boleh terkena suhu tinggi.



Gambar 9.42 Compressor wheel



Rancangan dari blade compressor wheel dapat berupa straight atau back curved. Cara termudah untuk melihat perbedaannya adalah dengan membandingkan keduanya (Gambar 9.42). Perhatikan bahwa kemiringan blade dari wheel yang di bawah lebih besar dibandingkan dengan wheel yang di atas. Rancangan wheel di bawah adalah back curve. Saat rpm meningkat, gaya sentrifugal mencoba untuk meluruskan blade. Jadi, seiring dengan naik atau turunnya rpm, beban tekuk yang terjadi karena adanya putaran (cylic bending load) ditempatkan pada blade dan beban yang terjadi karena adanya putaran (cyclic load) dari gaya sentrifugal lebih besar dibandingkan dengan cyclic load dari udara yang bertekanan. Adalah cyclic load yang menyebabkan patahan akibat kelemahan pada logam (fatigue fracture). Blade dirancang untuk tahan terhadap cyclic bending load yang besar sebagaimana juga dengan pembebanan yang lebih ringan akibat udara yang bertekanan. Lubang pada center shaft dibor menggunakan mesin khusus yang memperhitungkan lokasi lubang dengan tepat untuk keseimbangan wheel. Terkadang sebagian material wheel dibuang, di dekat lubang yang dibor, untuk keseimbangan yang lebih tepat. Journal Bearing



Gambar 9.43 Journal bearing



Journal bearing yang mengambang secara bebas (free-floating) (Gambar 9.43) dapat dibuat dari logam campuran/tembaga/timah atau dari aluminium, tergantung dari rancangan turbonya.



43 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Pada turbocharger lama, banyak bearing yang dibuat dari timah secara keseluruhan, sementara pada rancangan bearing yang lebih baru memiliki kandungan timah yang lebih rendah. Timah bertindak sebagai pelumas selama periode pelumasan yang sebentar (seperti saat startup). Beberapa bearing memiliki lapisan timah tipis pada permukaan logam campuran/tembaga/timah-nya untuk meningkatkan pelumasan saat startup. Diameter luar dan dalam dari bearing dibuat secara teliti untuk memastikan clearance dan ketebalan lapisan oli yang tepat. Beberapa bearing memiliki lubang-lubang oli yang ditiruskan (chamfered) untuk menghilangkan ketidakteraturan akibat pengeboran dan memberikan aliran oli yang bebas saat bearing berputar. Beberapa bearing lain memiliki alur oli pada sisisisinya. Retaining Ring



Gambar 9.44 Retaining ring



Retaining/snap ring journal bearing (Gambar 9.44) dicetak dari baja dengan tingkat kekuatan dan daya renggang tinggi. Proses stamp menyebabkan satu sisi bertepi bundar dan satu sisi bertepi tajam. Bagian yang halus dan bertepi bulat harus selalu terpasang mengarah ke bearing untuk meminimalkan pengikisan akibat gesekan. Thrust Bearing



Gambar 9.45 Thrust bearing



Thrust bearing (Gambar 9.45) dibuat dari tembaga/timah dan logam campuran aluminium berkekuatan tinggi. Beberapa bearing berlapis timah tipis untuk meningkatkan pelumasan saat start-up. Thrust bearing tidak bergerak sementara thrust washer yang bersebelahan dengannya berputar dengan rpm shaft penuh. Karena ini, thrust bearing menyerap lebih banyak energi dibandingkan bearing turbo yang lain dan oleh karenanya lebih sensitif terhadap pelumasan yang sekilas, material asing, dan pembebanan akhir yang abnormal. Beberapa thrust bearing memiliki jalur oli yang dibor, sebagaimana pada Gambar 9.45, untuk memberikan pelumasan langsung ke permukaan yang kontak pada thrust.



44 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Seal Ring



Gambar 9.46 Seal ring



Seal ring pada sisi panas (Gambar 9.46) dibuat dari logam campuran besi mengandung krom tinggi dan dirancang untuk tahan terhadap suhu tinggi. Seal ring pada sisi dingin dibuat dari besi tuang dan tidak boleh terkena suhu tinggi. Keduanya dibuat dengan teliti untuk memastikan kebundaran, kehalusan permukaan, dan daya pegas yang memadai. Aspekaspek ini menahan seal ring dari berputar di dalam bore dan dari kebocoran. Saat seal ring terpasang, celah pada ujungnya harus sekitar 0,250 mm (0,010”) (mengacu pada service manual untuk spesifikasi yang tepat). Housing



Gambar 9.47 Turbocharger housing



Turbocharger housing (Gambar 9.47) terdiri atas compressor housing, center housing, dan turbine housing. Compressor housing dibuat dari logam campuran tuang aluminium. Ketegaklurusan dan kesejajaran bore dibuat dengan teliti untuk memastikan clearance compressor wheel yang seragam (biasanya kurang dari 0,250 mm (0,010”). Housing ini dirancang untuk tahan terhadap gaya berkecepatan tinggi dari compressor wheel. Center housing dibuat dari besi tuang dan normalnya tidak ditujukan untuk suhu tinggi atau beban tinggi. Ketegaklurusan dan kesejajaran bore dibuat dengan teliti, sebagaimana diameter dalam dan permukaan dimana terdapat journal bearing. Turbine housing dibuat dari besi atau besi logam campuran nikel. Housing ini harus menahan beban dari tiap attachment pada suhu hingga 760oC (1.400oF) tanpa berubah ukuran atau bentuk secara permanent (creeping). Housing dibentuk secara teliti untuk memastikan kesejajaran dan ketegaklurusan bore dan menjaga clearance turbine wheel yang seragam.



45 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Backing Plate



Gambar 9.48 Backing plate



Turbine backing plate (Gambar 9.48, atau heat shield, atau shroud) bertindak sebagai penyekat untuk melindungi center housing dari suhu exhaust yang tinggi. Shield ini terbuat dari besi dan menghasilkan penyekatan dengan menciptakan air space antara turbine wheel dan center housing.



Pelumasan Turbocharger



Gambar 9.49 Pelumasan turbocharger



Pada kebanyakan aplikasi, turbocharger dilumasi oleh sistem pelumasan engine (Gambar 9.49). Oli bertekanan dari oil pump engine memasuki bagian atas bearing housing dan mengalir di sekitar shaft, kemudian ke thrust bearing dan oil seal. Oli mengalir ke bagian dalam dan sekitar bagian luar bearing, yang akan mengambang sepenuhnya di oli selama operasi. Oli juga mengalir ke piston-ring-type oil seal pada masingmasing ujung shaft untuk membantu penyekatan dan pelumasan. Thrust bearing yang terletak di ujung sisi compressor dari rangkaian yang berputar dilumasi oleh oli yang sama sebelum oli menginggalkan bearing housing dan mengalir kembali ke engine sump.



46 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Pada engine diesel besar seperti yang digunakan di aplikasi marine dan power-generation, turbocharger mempunyai rerservoir sendiri dan tidak bergantung pada oli engine untuk pelumasan. Suplai oli yang berkelanjutan dan bersih sangat penting untuk performa turbocharger. Sistem pelumasan juga sangat penting untuk operasi turbocharger yang bebas masalah. Oli melakukan tiga fungsi penting: pelumasan, pendinginan dan pembersihan. Gangguan terhadap suplai oli, walau hanya beberapa detik, dapat menyebabkan hasil yang sangat merusak. Sangat penting bahwa jumlah oli yang mencukupi mengalir terus menerus melewati turbocharger untuk menghasilkan suspensi dan stabilisasi sistem bearing full floating dan untuk menghilangkan panas. Terdapat banyak penyebab bagi pelumas untuk ditahan atau hilang sebelum mencapai turbocharger. Pelumas dapat mengandung partikel pengikis yang besar yang menyebabkan kerusakan ke bagian-bagian yang berputar. Bukan hanya sejumlah pelumas yang mencukupi yang harus ada, tetapi kualitasnya juga harus bagus.



Exhaust Manifold



Exhaust Manifold Turbocharger Oil Cooler



Oil Filter



Gambar 9.50 Exhaust manifold



Exhaust manifold pada engine turbocharged (Gambar 9.50) mirip konstruksinya dengan engine naturally aspirated. Perbedaan penting pada engine turbocharged adalah bahwa exhaust manifold dihubungkan ke turbine housing dari turbocharger; untuk mengarahkan gas bertekanan yang panas ke turbine. Gas exhaust dibuang dari bagian tengah turbine housing, melalui elbow, ke exhaust stack.



47 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Wastegate



Gambar 9.51 Wastegate



Untuk mengatur boost pressure, turbocharger dilengkapi dengan bypass valve atau wastegate, yang mengatur kecepatan turbocharger. Wastegate mengatur aliran gas exhaust ke turbine wheel dan konsekuensinya mengatur kecepatan turbine. Wastegate dapat memungkinkan gas untuk langsung ke turbine dan sebagian ke exhaust outlet. Oleh karena itu, kecepatan turbine dapat diatur.



Gambar 9.52 Wastegate



Wastegate (Gambar 9.52) terdiri atas valve dan base assembly yang didinginkan oleh coolant engine bersama-sama housing turbocharger. Base assembly ini mempunyai valve guide. Saat valve tertarik ke base assembly, wastegate terbuka, memungkinkan gas untuk membypass turbocharger. Saat valve memanjang ke posisi normal, wastegate tertutup, mencegah exhaust gas dari mem-bypass turbocharger.



48 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



After-Cooler



Gambar 9.53 Aftercooler



After-cooler (Gambar 9.53) terpasang ke engine diesel turbocharged atau supercharged high performance dan berfungsi seperti pemindah panas (heat excanger). After-cooler digunakan untuk mendinginkan udara masuk engine sehingga density udara yang tersedia meningkat. (Semakin dingin udara – semakin padat udara). Beberapa pabrik pembuat engine menyebut after-cooler sebagai intercooler. After-cooler dibutuhkan karena udara intake yang dikompresikan oleh turbicharger atau supercharger akan naik temperaturnya. Udara panas menempati ruang yang lebih besar dibandingkan udara dingin, oleh karena itu akan semakin banyak udara yang bisa dipaksakan masuk ke combustion chamber saat lebih dingin.



Gambar 9.54 Jacket water aftercooler



Ada dua rancangan dasar after-cooler: satu menggunakan coolant engine untuk mendinginkan udara intake, (Gambar 9.54) dan yang lainnya menggunakan aliran udara dari pergerakan kendaraan dan cooling fan untuk menciptakan aliran udara.



49 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Gambar 9.55 Air to air aftercooler



Pada Gambar 9.55, after-cooler ditempatkan di depan coolant radiator engine.



Gambar 9.56 Jacket water aftercooler core



Core dari after-cooler yang menggunakan coolant engine (Gambar 9.56), terlihat mirip seperti core compressed radiator dengan coolant mengalir melalui core dan udara intake dihembuskan melintasi fin, melepaskan panas ke coolant. Coolant yang diambil dari dasar memasuki cooler core dan kemudian keluar ke housing thermostat, kemudian coolant akan menuju radiator engine. Core tersebut terpasang pada intake manifold yang dirancang khusus. Beberapa machine menggunakan rangkaian after-cooler yang terpisah, dimana sebagian coolant radiator digunakan hanya untuk mendinginkan after-cooler. Di dalam cooling system engine normalnya tersedia coolant untuk mendinginkan udara intake.



50 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



CARA KERJA TURBOCHARGER



Gambar 57 – Cara kerja turbocharger



Turbocharger (Gambar 57) adalah komponen yang berputar dengan bebas, yang terkadang berputar melebihi 80.000 rpm. Pada rpm puncak, kecepatan permukaan journal bearing dapat lebih besar dari 30 meter (100 kaki) per detik dan energi yang tersimpan di komponen yang berputar dapat sama dengan horsepower engine. Kondisi ini menuntut keseimbangan dan kelurusan yang mendekati sempurna dari semua bagian yang bergerak, termasuk lingkungan pengoperasian dan perawatan yang tepat. Walaupun masalah dengan turbocharger dapat menyebabkan kerusakan, biasanya masalah sederhana di lingkungan kerja, seperti hambatan udara masuk, menyebabkan lebih banyak kerusakan. Dalam istilah umum, terdapat dua tipe turbocharger yaitu pulse type dan constant pressure type yang memiliki karakteristik berbeda-beda, tetapi keduanya beroperasi dengan konsep dasar yang sama.



Gambar 9.58 Cara kerja turbocharger



Gas exhaust dari engine melewati exhaust manifold dan memasuki turbine housing turbocharger (Gambar 9.58) dimana hal ini menciptakan tekanan di turbine blade, menyebabkan turbine, shaft dan compressor wheel assembly untuk berputar. Turbine wheel terhubung oleh sebuah shaft ke compressor wheel dan gas exhaust memutar turbine dan compressor wheel hingga sekitar 80.000 – 130.000 rpm, tergantung dari rancangan turbo. Hal ini akan menekan udara intake.



51 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Saat beban engine meningkat, lebih banyak fuel dinjeksikan ke dalam cylinder. Pembakaran yang meningkat menghasilkan lebih banyak gas exhaust, menyebabkan turbine dan compressor wheel berputar lebih cepat, mendorong lebih banyak udara memasuki engine. RPM maksimum turbocharger diatur oleh fuel setting, setting kecepatan high idle, ketinggian di atas permukaan laut dan wastegate, jika digunakan. Saat compressor berputar, udara menjadi bertekanan oleh gaya sentrifugal dan melewati compressor housing ke dalam inlet manifold engine melalui after-cooler. Jumlah atau tekanan udara sesuai dengan kecepatan putaran turbocharger.



Pulse Type



Gambar 9.59 – Exhaust manifold tipe pulse



Turbocharger pulse type membutuhkan exhaust manifold yang dirancang khusus untuk mengirimkan energi pulse dari exhaust ke turbine turbocharger. Rancangan ini dengan cabang-cabang individualnya (Gambar 9.59), mencegah gangguan di antara gas exhaust yang keluar dari cylinder terpisah, sehingga menghasilkan aliran pulse yang sangat tinggi yang tidak bisa dicapai dengan rancangan lain. Split Pulse



Gambar 9.60 – Turbine housing split pulse



Pada beberapa aplikasi, turbine housing split-pluse dapat digunakan untuk meningkatkan kemampuan dalam akselerasi dari rangkaian yang berputar.



52 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Rancangan ini memiliki dua volute chamber. Istilah ‘volute chamber’ digunakan sebagai acuan untuk turbine housing berbentuk spiral yang mengecil volumenya ke arah tengah housing dengan bentuk rumah siput. Setiap chamber menerima setengah aliran exhaust engine. Sebagai contoh, pada engine empat cylinder dua cylinder di depan disalurkan menuju chamber pertama, sementara dua yang di belakang menuju chamber kedua (Gambar 9.60).



Constant Pressure Type Pada turbocharger constant pressure type, gas exhaust dari semua cylinder mengalir ke common manifold, dimana pulse diperhalus dan menghasilkan gas exhaust yang memasuki turbine housing pada tekanan yang sama. Gas exhaust kemudian memasuki volute-shaped annular ring di turbine housing, yang meningkatkan kecepatan secara radial menuju ke dalam pada tekanan yang rendah dan kecepatan yang tinggi pada turbine blade. Blade dirancang sedemikian rupa sehingga gaya dorong gas yang sangat tinggi menggerakkan turbine dan shaft assembly.



Gambar 9.61 – Compressor housing turbocharger



Compressor assembly (Gambar 9.61) pada turbocharger pulse dan contant pressure sama dalam rancangan dan konstruksinya. Compressor terdiri atas wheel dan housing yang tergabung di dalam sebuah volute chamber tunggal (terkadang disebut diffuser). Udara di dalam compressor chamber berada di antara blade compressor wheel dan terlempar keluar secara radial oleh gaya sentrifugal memasuki volute chamber selama perputaran wheel. Pada titik ini kecepatan udara berkurang dan menghasilkan peningkatan tekanan udara. Seiring dengan masuknya udara di sekitar volute, kecepatannya berkurang lebih jauh lagi dan tekanan meningkat seiring dengan diameter penampang chamber yang mengecil.



Ringkasan Sebagai ringkasan, turbocharger pulse type menawarkan akselerasi yang cepat dari rangkaian yang berputar akibat penggantian pulse gas exhaust yang sangat cepat di turbine assembly. Umumnya digunakan pada aplikasi otomotif, dimana respon akselerasi sangat penting. Turbocharger constant pressure umumnya digunakan pada engine diesel aplikasi earth moving dan marine. Pada aplikasi-aplikasi ini, respon akselerasi tidak terlalu penting.



53 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Kondisi Air Intake



Gambar 9.62



Masalah pada inlet dan exhaust system mengakibatkan terjadinya banyak kerusakan. Sebagai contoh, saat hambatan udara inlet terlalu tinggi, hal ini akan menyebabkan beban berlebihan, sehingga mempercepat keausan thrust bearing (Gambar 9.62) Suhu exhaust yang terlalu tinggi dapat meneyebakan masalah pelumasan dan kerusakan metalurgi. Material asing dapat masuk ke turbocharger dari sistem inlet atau exhaust. Technician harus selalu mengumpulkan data tentang air intake dan exhaust system pada saat menginvestigasi kerusakan turbocharger.



Pelumasan Sebagaimana disebutkan sebelumnya, turbocharger memiliki kecepatan putaran yang sangat tinggi, faktor energi yang tinggi dan umumnya dilumasi dengan oli engine. Untuk mencapai operasi turbocharger yang dapat diandalkan dan usia yang dapat diperkirakan, jumlah dan kekentalan oli yang tepat sangat penting serta oli harus berada dalam kondisi yang baik: • Oli dan filter harus diganti pada interval yang tepat dan level oli harus dijaga. • Filter oli harus dibuka dan dipelajari pada interval penggantian agar memungkinkan untuk dilakukan pemeriksaan yang tepat. • Spesifikasi tekanan oli engine harus selalu diuji pada interval yang ditentukan.



Prosedur Mengidupkan Engine Engine turbocharged harus selalu dibiarkan untuk idle saat dihidupkan hingga tekanan oli engine naik ke tekanan operasi normal. Menghidupkan engine dengan throttle penuh akan menyebabkan turbocharger beroperasi pada kecepatan tinggi dengan suplai oli yang sangat sedikit melalui bearingnya, akibatnya keausan yang bertambah pada rangkaian yang berputar dan bearing turbocharger.



Mematikan Engine Sebelum engine turbocharged dimatikan, engine harus hidup pada kecepatan idle selama 3 hingga 4 menit. Hal ini akan menyebabkan rangkaian yang berputar dengan kecepatan tinggi untuk melambat, memungkinkan suhu operasi engine untuk normal dan memungkinkan panas yang berlebihan untuk menghilang dari turbocharger.



54 Air Intake & Exhaust System



Intermediate Engine System Buku Panduan Siswa – Topik 9



Jika sebuah engine turbocharged dimatikan saat beroperasi pada kecepatan tinggi atau sedang dibebani, rangkaian turbocharger yang berputar akan terus berputar untuk beberapa lama tanpa oli untuk pelumasan dan pendinginan yang diperlukan. Karena shaft turbine exhaust beroperasi pada suhu tinggi selama engine beroperasi, sekali aliran oli ke bearing housing berhenti, panas di shaft dan housing akan cukup untuk merusak oli untuk membentuk gum dan varnish, menyisakan residu tanpa pelumasan dan menyebabkan keausan dini ke shaft yang berputar, bearing dan bearing housing. Tidak ada cara untuk melindungi tubocharger terhadap engine yang dimatikan tiba-tiba. Unit pengatur waktu otomatis dapat dipasangkan ke sistem shutdown engine, yang akan menolak stop control dan memungkinkan engine untuk idle selama beberapa menit sebelum berhenti. Metode lain memanfaatkan akumulator oli yang dipasangkan ke engine, yang akan diisi oleh sistem pelumasan engine selama operasi. Saat engine dimatikan, oli didorong dari akumulator melalui check valve menuju bearing housing turbocharger dan melumasi bearing selama 30 detik.



55 Air Intake & Exhaust System