Mesin
asli yang dibuat Diesel tahun 1897, dipajang di Museum Jerman di Munich, Jerman
Rudolf Diesel
lahir di Paris tahun 1858 sebagai keluarga ekspatriat Jerman. Ia melanjutkan
studi di Politeknik Munchen. Setelah lulus dia
bekerja sebagai teknisi kulkas, namun bakatnya terdapat dalam mendesain mesin.
Diesel mendesain banyak mesin panas, termasuk mesin udara bertenaga solar.
tahun 1892 ia menerima paten dari Jerman, Swiss, Inggris, dan Amerika Serikat
untuk karyanya "Method of and Apparatus for Converting Heat into
Work" (Metode dan Alat untuk Mengubah Panas menjadi Kerja). Tahun
1893 ia menemukan sebuah "mesin pembakaran-lambat" yang pertama-tama
mengkompres udara sehingga menaikkan temperaturnya sampai di atas titik nyala,
lalu secara bertahap memasukkan bahan bakar ke dalam ruang bakar. Tahun 1894
dan 1895 ia membuat paten di beberapa negara untuk mesin yang ia temukan,
pertama di Spanyol (No. 16.654), Perancis (No. 243.531) dan Belgia
(No. 113.139) bulan Desember 1894, Jerman (No. 86.633) tahun 1895,
dan Amerika Serikat (No. 608.845) tahun 1898. Ia mengoperasikan mesin
pertamanya tahun 1897.
Di Augsburg,
10 Agustus 1893, Rudolf Diesel menciptakan mesin pertamanya, sebuah silinder
tunggal 10-foot (3.0 m) berbahan besi dengan roda gila
pada dasarnya. Diesel memerlukan waktu 2 tahun untuk menyempurnakan mesinnya
dan pada tahun 1896 ia mendemonstrasikan model lainnya dengan efisiensi
teoritis 75%, sangat jauh bila dibandingkan dengan mesin uap
yang hanya 10%. Tahun 1898, Diesel telah menjadi jutawan. Mesin buatannya telah
digunakan untuk menggerakkan transportasi jalur
pipa, pembangkit listrik dan air, mobil, truk, dan kapal, kemudian
juga menyebar sampai pertambangan, ladang minyak,
pabrik, dan transportasi antar benua.
Bagaimana mesin diesel bekerja
Diagram
siklus termodinamika sebuah mesin diesel ideal. Urutan kerja mesin diesel
berurutan dari nomor 1-4 searah jarum jam. Dalam siklus mesin diesel,
pembakaran terjadi dalam tekanan tetap dan pembuangan terjadi dalam volume
tetap. Tenaga yang dihasilkan setiap siklus ini adalah area di dalam garis
siklus.
Model
mesin diesel, sisi kiri
Model
mesin diesel, sisi kanan
Lihat
pula: Siklus diesel
Mesin diesel menggunakan prinsip kerja hukum Charles,
yaitu ketika udara dikompresi maka suhunya akan meningkat. Udara disedot ke
dalam ruang bakar
mesin diesel dan dikompresi oleh piston
yang merapat dengan rasio kompresi antara 15:1 dan 22:1 sehingga menghasilkan
tekanan 40-bar (4.0 MPa; 580 psi), dibandingkan dengan mesin bensin
yang hanya 8 to 14 bars (0.80 to 1.40 MPa; 120 to 200 psi). Tekanan
tinggi ini akan menaikkan suhu udara sampai 550 °C (1,022 °F).
Beberapa saat sebelum piston memasuki proses kompresi, bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar
langsung dalam tekanan
tinggi melalui nozzle dan injektor supaya bercampur dengan udara panas yang
bertekanan tinggi. Injektor memastikan bahwa bahan bakar terpecah menjadi
butiran-butiran kecil dan tersebar merata. Uap bahan bakar kemudian menyala
akibat udara yang terkompresi tinggi di dalam ruang bakar. Awal penguapan bahan
bakar ini menyebabkan sebuah waktu tunggu selagi penyalaan, suara detonasi yang
muncul pada mesin diesel adalah ketika uap mencapai suhu nyala dan menyebabkan
naiknya tekanan diatas piston secara mendadak. Oleh karena itu, penyemprotan
bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk
menghindari detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di
atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan
penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan
ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung
(indirect injection).
Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang
pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan
tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod)
menyalurkan gerakan ini ke crankshaft
dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar.
Tingginya kompresi menyebabkan pembakaran dapat
terjadi tanpa dibutuhkan sistem penyala terpisah (pada mesin bensin digunakan busi), sehingga rasio kompresi
yang tinggi meningkatkan efisiensi mesin. Meninggikan rasio kompresi pada mesin
bensin hanya terbatas untuk mencegah kerusakan pra-penyalaan.
Sistem injeksi generasi awal
Mesin asli Diesel menginjeksikan bahan bakar
dengan bantuan udara bertekanan, yang mengatomisasi bahan bakar dan memaksa
bahan bakar masuk dalam ruang bakar melalui nosel (menggunakan prinsip yang
sama dengan semprotan aerosol). Bukaan nosel ditutup oleh katup yang dikontrol
oleh camshaft untuk mengawali injeksi bahan bakar sebelum titik mati atas/top
dead centre. Menggunakan 3 tahap kompresor memang memakan tenaga namun
efisiensi dan output tenaga bersih yang dihasilkan diatas mesin pembakaran
lainnya pada waktu itu.
Mesin diesel saat ini menggunakaan tekanan sangat
tinggi dengan pompa mekanik dan menekan bahan bakar dengan injektor tanpa udara
bertekanan. Dengan diesel injeksi langsung, injektor akan menyemprot bahan
bakar melalui 4-12 orifice kecil pada noselnya. Mesin diesel injeksi generasi
awal selalu mempunyai pembakaran awal tanpa kenaikan tekanan yang drastis
ketika pembakaran. Saat ini riset sedang dilakukan untuk menggunakan lagi
beberapa bentuk injeksi udara desain asli Rudolf Diesel untuk mengurangi polusi
nitrogen oksida. Pada semua mesin diesel, mesin diesel modern selalu mengacu
pada desain asli Rudolf Diesel, dimana bahan bakar menyala melalui kompresi
tinggi.
Jalur bahan bakar
Untuk aplikasi generator listrik, komponen
penting dari mesin diesel adalah governor, yang mengontrol suplai bahan
bakar agar putaran mesin selalu pada putaran yang diinginkan. Apabila putaran
mesin turun terlalu banyak kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun
sehingga peralatan listrik tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya, sedangkan
apabila putaran mesin terlalu tinggi maka dapat mengakibatkan over voltage yang
bisa merusak peralatan listrik. Mesin diesel modern menggunakan pengontrolan
elektronik canggih untuk mencapai tujuan ini melalui modul kontrol elektronik
(ECM) atau unit kontrol elektronik (ECU) - yang merupakan
"komputer" dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin
melalui sensor dan menggunakan algoritma
dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah
bahan bakar dan waktu melalui aktuator
elektronik atau hidraulik untuk mengatur kecepatan mesin.
Keuntungan utama
Mesin diesel memiliki beberapa keuntungan
dibandingkan mesin pembakaran lain:
- Mesin diesel membakar lebih sedikit bahan bakar daripada mesin bensin untuk menghasilkan kerja yang sama karena suhu pembakaran dan rasio kompresi yang lebih tinggi. Mesin bensin umumnya hanya memiliki tingkat efisiensi 30%, sedangkan mesin diesel bisa mencapai 45% (mengubah energi bahan bakar menjadi energi mekanik (lihat siklus Carnot untuk penjelasan lebih lanjut).
- Tidak ada tegangan listrik tinggi pada sistem penyalaan, sehingga tahan lama dan mudah digunakan pada lingkungan yang keras. Tidak adanya koil, kawat spark plug, dsb juga menghilangkan sumber gangguan frekuensi radio yang dapat mengganggu peralatan navigasi dan komunikasi, sehingga penting pada pesawat terbang dan kapal.
- Daya tahan mesin diesel umumnya 2 kali lebih lama daripada mesin bensin Templat:Better source karena suku cadang yang digunakan telah diperkuat..
Bus
yang menggunakan biodiesel
- Bahan bakar diesel dapat dihasilkan langsung dari minyak bumi. Distilasi memang menghasilkan bensin, namun hasilnya tak akan cukup tanpa adanya catalytic reforming, yang berarti memerlukan ongkos tambahan.
- Bahan bakar diesel umumnya dianggap lebih aman daripada bensin. Meskipun bahan bakar diesel dapat terbakar pada udara bebas jika disulut dengan sumbu, namun tidak akan meledak dan tidak menghasilkan uap yang mudah terbakar dalam jumlah besar. Tekanan uap yang rendah sangat menguntungkan untuk aplikasi kapal laut, dimana campuran bahan bakar dengan udara yang dapat meledak sangatlah berbahaya. Dengan alasan yang sama, mesin diesel tahan terhadap vapor lock.
- Untuk beban parsial berapapun, efisiensi bahan bakar (massa yang dibakar per energi yang dihasilkan) hampir konstan untuk mesin diesel, sedangkan pada mesin bensin akan proporsional.[9][10][11][12]
- Mesin diesel menghasilkan panas yang terbuang lebih sedikit.
- Mesin diesel dapat menerima tekanan dari supercharger atau turbocharger tanpa batasan (tergantung dari kekuatan komponen mesinnya saja). Tidak seperti mesin bensin yang dapat menimbulkan detonasi/ketukan pada tekanan tinggi.
- Kandungan karbon monoksida pada gas buangnya minimal, oleh karena itu mesin diesel digunakan pada tambang bawah tanah.
- Biodiesel mudah disintesis, bahan bakar berbasis non-minyak bumi (melalui proses transesterifikasi) dan dapat langsung digunakan di banyak mesin diesel, sedangkan mesin bensin membutuhkan banyak ubahan untuk dapat menggunakan bahan bakar sintetis untuk dapat digunakan (misalnya etanol ditambahkan ke gasohol).
Supercharger dan turbocharger
Kebanyakan mesin diesel saat ini telah mempunyai turbocharger
dan beberapa diantaranya gabungan turbo dan supercharger.
Karena bahan bakar pada mesin diesel tidak ada dalam silinder sebelum
pembakaran dimulai, maka tekanan udara lebih dari 1 bar (100 kPa) dapat
dimasukkan dalam silinder tanpa pra-pembakaran. Mesin dengan turbocharger dapat
memproduksi tenaga jauh lebih besar daripada mesin biasa dengan konfigurasi
yang sama, karena lebih banyak udara yang dimasukkan berarti makin banyak bahan
bakar yang dapat dibakar sehingga tenaga lebih besar. Supercharger umumnya
digerakkan mekanis oleh crankshaft
mesin, sedangkan turbocharger digerakkan oleh gas buang mesin, tidak
membutuhkan tenaga mekanis apapun. Turbocharger dapat mengurangi konsumsi bahan
bakar pada mesin diesel dengan mengambil panas yang terbuang dari gas buang.
Karena mesin dengan turbocharger dan supercharger
dapat memproduksi tenaga lebih besar dengan kapasitas sama, maka perhatian
lebih mesti diperhatikan pada desain mekanikal komponen, pelumasan, dan
pendinginan. Piston umumnya didinginkan dengan minyak pelumas yang disemprotkan
di bagian bawah piston. Mesin-mesin yang besar dapat menggunakan air, air laut
atau minyak melalui pipa teleskopi yang menempel pada crosshead.
Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel,
umumnya ditambahkan intercooler
untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar. Udara yang panas
volumenya akan mengembang begitu juga sebaliknya, maka dengan didinginkan
bertujuan supaya udara yang menempati ruang bakar bisa lebih banyak.
Kondisi dingin
Penyalaan
Mesin diesel sulit untuk hidup pada saat mesin
dalam kondisi dingin. Beberapa mesin menggunakan pemanas elektronik kecil yang
disebut busi menyala (spark/glow plug) di dalam
silinder untuk memanaskan ruang bakar sebelum penyalaan mesin. Lainnya
menggunakan pemanas "resistive grid" dalam "intake
manifold" untuk menghangatkan udara masuk sampai mesin mencapai suhu
operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar dalam silinder dengan
efektif memanaskan mesin.
Pengentalan
Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar
diesel mengental dan meningkatkan viscositas dan membentuk kristal lilin
atau gel. Kristal ini dapat terbentuk di sepanjang jalur bahan bakar (terutama
pada saringan), membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin menjadi sulit.
Pemanas listrik kecil pada tanki bahan bakar
dan di sepanjang sistem bahan bakar umumnya menjadi solusi. Selain itu, cara
umum yang dipakai adalah untuk memanaskan saringan bahan bakar dan jalur bahan bakar
secara elektronik.
Seiring dengan meningkatnya teknologi bahan
bakar, pengentalan saat ini jarang terjadi, namun pada kondisi terdingin campuran
adalah diesel dan minyak
tanah dapat digunakan. Stasiun pengisian bahan bakar di kawasan
dingin pada umumnya menyediakan bahan bakar diesel
musim dingin yang memungkinkan operasi di bawah semestinya. Di
Eropa, karakteristik bahan bakar ini tercantum pada standar EN 590.
Tipe mesin diesel
Ada dua kelas mesin diesel: dua-tak dan
empat-tak.
Biasanya jumlah silinder
dalam kelipatan dua, meskipun berapapun jumlah silinder dapat digunakan selama
poros engkol dapat diseimbangkan untuk mencegah getaran yang
berlebihan. Mesin 6 segaris paling banyak diproduksi
dalam mesin tugas-medium ke tugas-berat, meskipun V8 dan 4 segaris
juga banyak diproduksi.
Mesin diesel bekerja dengan kompresi udara yang
cukup tinggi, sehingga pada mesin disel besar perlu ditambahkan sejumlah udara
yang lebih banyak. Maka digunakan Supercharger atau turbocharger pada intake
manifold, dengan tujuan memenuhi kebutuhan udara kompresi.
Keunggulan dan kelemahan dibanding dengan mesin busi-nyala
Efisiensi bahan bakar
Mesin S80ME-C7 milik MAN yang bermesin diesel mengkonsumsi 155
grams (5.5 oz) bahan bakar per kWh
dan menghasilkan efisiensi sebesar 54.4%, sehingga menjadikannya konversi bahan
bakar tertinggi menjadi tenaga untuk mesin pembakaran dalam maupun luar manapun (The efficiency of a combined
cycle gas turbine system can exceed 60%.) Hal
ini berarti mesin diesel lebih efisien daripada mesin bensin untuk keluaran
tenaga yang sama, sehingga konsumsi bahan bakar lebih irit. Contoh lainnya
adalah Škoda
Octavia, dimana mesin bensinnya mengkonsumsi bahan bakar
6.2 L/100 km (46 mpg-imp;
38 mpg-US) untuk tenaga
102 bhp
(76 kW) sedangkan mesin dieselnya hanya mengkonsumsi
4.4 L/100 km (64 mpg-imp;
53 mpg-US) untuk keluaran
tenaga 105 bhp (78 kW).
Keefisienan mesin diesel disebabkan karena bahan
bakar diesel lebih padat dan kandungan energinya lebih banyak 15% berdasarkan
volume. Meskipun nilai kalornya sedikit lebih rendah
daripada bensin (diesel 45,3 MJ/kg (megajoule per kilogram, bensin
45.8 MJ/kg), namun karena densitasnya lebih tinggi, maka massanya lebih
besar.
Selain itu, mesin diesel juga lebih irit karena
rasio kompresi yang lebih tinggi, terutama pada putaran rendah dan kondisi
mesin diam. Tidak seperti mesin bensin, mesin diesel tidak memiliki butterfly
valve/throttle pada sistem inlet yang menutup pada kondisi mesin diam. Hal
ini menimbulkan kerugian dan menurunkan adanya udara masuk, sehingga efisiensi
mesin bensin menurun. Di banyak penggunaan, seperti kapal laut, pertanian, dan
kereta, mesin diesel dibiarkan menyala diam berjam-jam. Kuntungan ini banyak digunakan
pada lokomotif kereta.
Mesin diesel pada bus, truk, dan mobil-mobil baru
bermesin diesel dapat mencapai efisiensi maksimum sekitar 45%,[ dan sedang ditingkatkan sehingga mencapai 55%.Meskipun
begitu, rata-rata efisiensinya tidak selalu sama, tergantung pada kondisi dan
penggunaan.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar