Prinsip Kerja Sistem Injeksi Bahan Bakar Diesel

1.      Prinsip Kerja Mesin Diesel

Mesin/motor diesel (diesel engine) merupakan salah satu bentuk motor pembakaran dalam (internal combustion engine) di samping motor bensin dan turbin gas. Motor diesel disebut dengan motor penyalaan kompresi (compression ignition engine) karena penyalaan bahan bakarnya diakibatkan oleh suhu kompresi udara dalam ruang bakar. Dilain pihak motor bensin disebut motor penyalaan busi (spark ignition engine) karena penyalaan bahan bakar diakibatkan oleh percikan bunga api listrik dari busi.

Cara pembakaran dan pengatomisasian (atomizing) bahan bakar pada motor diesel tidak sama dengan motor bensin. Pada motor bensin campuran bahan bakar dan udara melelui karburator dimasukkan ke dalam silinder dan dibakar oleh nyala listrik dari busi. Pada motor diesel yang diisap oleh torak dan dimasukkan ke dalam ruang bakar hanya udara, yang selanjutnya udara tersebut dikompresikan sampai mencapai suhu dan tekanan yang tinggi. Beberapa saat sebelum torak mencapai titik mati atas (TMA) bahan bakar solar diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Dengan suhu dan tekanan udara dalam silinder yang cukup tinggi maka partikel-partikel bahan bakar akan menyala dengan sendirinya sehingga membentuk proses pembakaran. Agar bahan bakar solar dapat terbakar sendiri, maka diperlukan rasio kompresi 15-22 dan suhu udara kompresi kira-kira 600ºC.

Meskipun untuk motor diesel tidak diperlukan sistem pengapian seperti halnya pada motor bensin, namun dalam motor diesel diperlukan sistem injeksi bahan bakar yang berupa pompa injeksi (injection pump) dan pengabut (injector) serta perlengkapan bantu lain. Bahan bakar yang disemprotkan harus mempunyai sifat dapat terbakar sendiri (self ignition). Penampang mesin diesel secara sederhana dapat dilihat pada gambar 1.

                                          Gambar. Skema motor diesel

2.      Perbedaan utama mesin diesel dan mesin bensin

Motor diesel dan motor bensin mempunyai beberapa perbedaan utama, bila ditinjau dari beberapa item di bawah ini, yaitu (lihat Tabel 1)

Tabel 1. Perbedaan utama motor diesel dan motor bensin

Item	Motor Diesel	Motor Bensin
Siklus Pembakaran	Siklus Sabathe	Siklus Otto
Rasio kompresi	15-22	6-12
Rasio kompresi	15-22	6-12
Ruang bakar	Rumit	Sederhana
Percampuran bahan bakar	Diinjeksikan pada akhir langkah	Dicampur dalam karburator
Metode penyalaan	Terbakar sendiri	Percikan busi
Bahan bakar	Solar	Bensin
Getaran suara	Besar	Kecil
Efisiensi panas (%)	30-40	22-30

Motor diesel juga mempunyai keuntungan dibanding motor bensin, yaitu :

a)      Pemakaian bahan bakar lebih hemat, karena efisiensi panas lebih baik, biaya operasi lebih hemat karena solar lebih murah.

b)  Daya tahan lebih lama dan gangguan lebih sedikit, karena tidak menggunakan sistem pengapian.

c)      Jenis bahan bakar yang digunakan lebih banyak.

d)    Operasi lebih mudah dan cocok untuk kendaraan besar, karena variasi momen yang terjadi pada perubahan tingkat kecepatan lebih kecil.

Di samping itu motor diesel memiliki kerugian, yaitu :

a)    Suara dan getaran yang timbul lebih besar (hampir 2 kali) daripada motor bensin. Hal ini disebabkan tekanan yang sangat tinggi (hampir 60 kg/cm²) pada saat pembakaran.

b)   Bobot per satuan daya dan biaya produksi lebih besar, karena bahan dan konstruksi lebih rumit untuk rasio kompresi yang tinggi.

c)    Pembuatan pompa injeksi lebih teliti sehingga perawatan lebih sulit.

d)     Memerlukan kapasitas baterai dan motor starter yang besar agar dapat memutar poros engkol dengan kompresi yang tinggi.

Secara singkat prinsip kerja motor diesel 4 tak adalah sebagai berikut :

a)    Langkah isap, yaitu waktu torak bergerak dari TMA ke TMB. Udara diisap melalui katup isap sedangkan katup buang tertutup.

b)   Langkah kompresi, yaitu ketika torak bergerak dari TMB ke TMA dengan memampatkan udara yang diisap, karena kedua katup isap dan katup buang tertutup, sehingga tekanan dan suhu udara dalam silinder tersebut akan naik.

c)    Langkah usaha, ketika katup isap dan katup buang masih tertutup, partikel bahan bakar yang disemprotkan oleh pengabut bercampur dengan udara bertekanan dan suhu tinggi, sehingga terjadilah pembakaran. Pada langkah ini torak mulai bergerak dari TMA ke TMB karena pembakaran berlangsung bertahap.

d)   Langkah buang, ketika torak bergerak terus dari TMA ke TMB dengan katup isap tertutup dan katup buang terbuka, sehingga gas bekas pembakaran terdorong keluar.

                                       Gambar. Prinsip kerja motor diesel 4 tak

3.      Proses pembakaran mesin diesel Proses pembakaran dibagi menjadi 4 periode :

a)      Periode 1: Waktu pembakaran tertunda (ignition delay) (A-B) Pada periode ini disebut fase persiapan pembakaran, karena partikel-partikel bahan bakar yang diinjeksikan bercampur dengan udara di dalam silinder agar mudah terbakar.

b)      Periode 2: Perambatan api (B-C)

Pada periode 2 ini campuran bahan bakar dan udara tersebut akan terbakar di beberapa tempat. Nyala api akan merambat dengan kecepatan tinggi sehingga seolah-olah campuran terbakar sekaligus, sehingga menyebabkan tekanan dalam silinder naik. Periode ini sering disebut periode ini sering disebut pembakaran letup.

c)      Periode 3: Pembakaran langsung (C-D)

Akibat nyala api dalam silinder, maka bahan bakar yang diinjeksikan langsung terbakar. Pembakaran langsung ini dapat dikontrol dari jumlah bahan bakar yang diinjeksikan, sehingga periode ini sering disebut periode pembakaran dikontrol.

d)     Periode 4: Pembakaran lanjut (D-E)

Injeksi berakhir di titik D, tetapi bahan bakar belum terbakar semua. Jadi walaupun injeksi telah berakhir, pembakaran masih tetap berlangsung. Bila pembakaran lanjut terlalu lama, temperatur gas buang akan tinggi menyebabkan efisiensi panas turun.

Gambar. Proses pembakaran motor diesel

4.      Bentuk ruang bakar mesin diesel

Ruang bakar pada motor diesel lebih rumit dibanding ruang bakar motor bensin. Bentuk ruang bakar pada motor diesel sangat menentukan kemampuan mesin, sebab ruang bakar tersebut direncanakan dengan tujuan agar campuran bahan udara dan bahan bakar menjadi homogen dan mudah terbakar sekaligus.

Ruang bakar motor diesel digolongkan menjadi 2 tipe, yaitu :

a)        Tipe ruang bakar langsung (direct combustion chamber)

b)        Tipe ruang bakar tambahan (auxiliary combustion chamber) Tipe ruang bakar tambahan terdapat dalm 3 macam, yaitu :

1)      Ruang bakar kamar muka (precombustion chamber)

2)      Ruang bakar pusar (swirl chamber)

3)      Ruang bakar air cell (Air cell combustion chamber)

Gambar. Ruang bakar langsung

Keuntungan ruang bakar langsung adalah :

§  efisiensi panas lebih tingi, pemakaian bahan bakar lebih hemat karena bentuk ruang bakar yang sederhana.

§  start dapat mudah dilakukan pada waktu mesin dingin tanpa menggunakan alat bantu start busi pijar (glow plug).

§  cocok untuk mesinmesin besar karena konstruksi kepala silinder sederhana.

Kerugian ruang bakar langsung adalah :

§  memerlukan kualitas bahan bakar yang baik.

§  memerlukan tekanan injeksi yang lebih tinggi

§  sering terjadi gangguan nozzle, umur nozzle lebih pendek karena menggunakan nozzle lubang banyak (multiple hole nozzle)

§  dibandingkan dengan jenis ruang bakar tambahan, turbulensi lebih lemah, jadi sukar untuk kecepatan tinggi.

b)      Ruang bakar tambahan.

1)      Ruang bakar muka

Dalam ruang bakar ini bahan bakar solar disemprotkan ke dalam ruang bakar muka oleh nozzle injeksi. Sebagian bahan bakr yang tidak terbakar di ruang bakar muka didorong melalui saluran kecil antara ruang bakar muka dan ruang bakar utama. Percampuran yang baik dan terbakar seluruhnya berada pada ruang bakar utama.

Gambar. Ruang bakar kamar muka

Keuntungan ruang bakar muka adalah :

§  jenis bahan bakar yang digunakan lebih luas, karena turbulensinya sangat baik untuk pengabutan.

§  perawatan pompa injeksi lebih mudah karena tekanan injeksi lebih rendah dan tidak terlalu peka terhadap perubahan saat injeksi.

§  detonasi berkurang serta mesin bekerja lebih baik karena menggunakan nozzle lubang banyak.

Kerugian ruang bakar muka adalah :

§  biaya pembuatan lebih mahal sebab perencanaan kepala silinder lebih rumit.

§  memerlukan motor starter yang besar dan kemampuan start lebih jelek sehingga harus menggunakan alat pemanas.

§  pemakaian bahan bakar boros.

2)      Ruang bakar pusar

Ruang bakar model pusar ini berbentuk bundar. Ketika torak memampatkan udara, sebagian udara akan masuk ke dalam ruang bakar pusar dan membuat aliran turbulensi. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam udara turbulensi dan terbakar di dalam ruang bakar pusar, tetapi sebagian bahan bakar yang belum terbakar masuk ke ruang bakar utama melalui saluran tersebut. Selanjutnya capuran tersebut akan terbakar di tuang bakar utama. 

Gambar. Ruang bakar pusar

Keuntungan ruang bakar pusar adalah :

§  dapat menghasilkan putaran tinggi, karena turbulensi yang sangat baik pada saat kompresi

§  Gangguan pada nozzle berkurang karena menggunakan nozzle tipe pin

§  putaran mesin lebih tinggi dan operasinya lebih lembut, menyebabkan jenis ini cocok untuk mobil.

Kerugian ruang bakar pusar adalah :

§  konstruksi kepala silinder rumit

§  efisiensi panas dan pemakaian bahan bakar lebih boros dibandingkan dengan tipe ruang bakar langsung

§  penggunaan alat pemanas tidak begitu efektif, sebab ruang bakar sangat luas

§  detonasi lebih besar pada kecepatan rendah.

3)      Ruang bakar Air Cell

Pada ruang bakar air cell ini bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam air cell dan terbakar langsung di ruang bakar utama. Sebagian bahan bakar yang yang disemprotkan ke air cell dan terbakar, mengakibatkan tekanan dalam air cell bertambah. Bila torak bergerak ke TMB, udara dalam air cell keluar ke ruang bakar utama membantu menyempurnakan pembakaran. Pada ruangbakar ini tidak memerlukan pemanas.

Gambar. Ruang bakar Air Cell

Keuntungan ruang bakar air cell adalah :

§  mesin bekerja lebih lembut karena pembakaran terjadi secara berangsur-angsur

§  tidak memerlukan pemanas

§  gangguan nozzle berkurang karena menggunakan nozzle tipe pin.

Kerugian ruang bakar air cell adalah :

§  saat injeksi bahan bakar sangat mempengaruhi kemampuan mesin

§  suhu gas buang sangat tinggi karena pembakaran lanjut sangat panjang

§  bahan bakar boros.

4)      Penyaluran bahan bakar pada mesin diesel

Berdasarkan uraian tentang prinsip kerja mesin diesel yang membakar bahan bakar berdasarkan suhu kompresi secara bertahap, maka penyaluran bahan bakar pada mesin diesel harus memenuhi syarat :

(a)      Mesin diesel harus mempunyai perbandingan kompresi yang tinggi agar mempunyai suhu dan tekanan kompresi yang tinggi sehingga mampu membakar bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Bahan bakar mesin diesel mempunyai sifat titik nyalanya tinggi sehingga harus dibuat menjadi partikel atau butiran yang lebih kecil.

(b)      Agar bahan bakar yang diinjeksikan ke dalam silinder mesin diesel dapat mudah terbakar maka diperlukan ruang bakar yang dapat memungkinkan bahan bakar dan udara dapat bercampur secara homogen dalam bentuk partikel yang lebih kecil-kecil dari sebelumnya.

(c)      Di samping mesin diesel harus memiliki ruang bakar yang memungkinkan atomisasi bahan bakar, maka bahan bakar yang disalurkan ke dalam ruang bakar harus dengan injeksi. Dengan injeksi maka bahan bakar akan berbentuk partikel-partikel atau butiran-butiran yang kecil. Oleh karena itu dalam mesin diesel diperlukan peralatan untuk injeksi yaitu pompa injeksi dan injector (pengabut). Pompa injeksi berfungsi menekan bahan bakar dari tangki ke injector, sedangkan injector berfungsi menyemprotkan bahan bakar tepat waktu ketika diperlukan pada akhir langkah kompresi.

(d)     Berdasarkan 3 hal di atas maka pada mesin diesel diperlukan suatu sistem bahan bakar yang dapat memenuhi syarat agar terjadi pembakaran yang baik. Sistem bahan bakar yang baik harus terdiri dari komponen-komponen yang baik pula.