Memahami Klasifikasi Mesin atau Engine Classification

 

Pada pembahasan Klasifikasi mesin ini lebih dimaksudkan pada klasifikasi motor bakar. Klasifikasi mesin adalah suatu rangkaian dari beberapa macam engine hingga menghasilkan beberapa tipe engine yang berbeda atau proses pengelompokkan mesin berdasarkan ciri-ciri persamaan dan perbedaan. Dari pernyataan tersebut pada pembahasan ini akan mengurai klasifikasi yang sering digunakan untuk mengelompokkan mesin berdasarkan ciri-ciri persamaan dan perbedaan..

 

Motor bakar adalah salah satu jenis dari mesin kalor, yaitu mesin yang mengubah energi termal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah tenaga kimia bahan bakar menjadi tenaga mekanis. Dari bagan klasifikasi tersebut maka penggolongan yang pertama dilakukan adalah membagi engine berdasarkan tempat terjadinya proses pembakaran dan tempat perubahan energi panas menjadi energi gerak. Apabila kedua peristiwa tadi terjadi dalam ruang yang sama maka engine tersebut dikategorikan sebagai engine dengan jenis internal combustion. Sedangkan apabila ruang tersebut terpisah maka engine tersebut dikategorikan sebagai engine eksternal combustion.

A. Internal Combution Engine (ICE) atau Mesin Pembakaran Dalam

Mesin pembakaran dalam ( internal combustion engine / ICE ) adalah Mesin pembakaran dalam adalah sebuah mesin yang sumber tenaganya berasal dari pengembangan gas-gas panas bertekanan tinggi hasil pembakaran campuran bahan bakar dan udara, yang berlangsung di dalam ruang tertutup dalam mesin, yang disebut ruang bakar (combustion chamber). Pada motor pembakaran dalam, proses pembakaran bahan bakar terjadi didalam mesin itu sendiri, sehingga panas dari hasil pembakaran langsung bisa diubah menjadi tenaga mekanik. Misalnya : pada turbin gas, motor bakar torak dan mesin propulasi pancar gas

Contoh mesin pembakaran dalam sering kita temui pada kendaraan-kendaraan baik sepeda motor, mobil, bus, truk dan lain sebagainya. Mesin pembakaran dalam sendiri berdasarkan jenis bahan bakar yang digunakan antara lain mesin bensin dan mesin diesel.

Kelebihan mesin pembakaran dalam dibandingkan dengan mesin pembakaran luar antara lain :

• Pemakaian bahan bakar yang digunakan akan lebih hemat karena mesin pembakaran dalam memiliki efiiensi panas yang lebih baik.
• Konstruksi mesin lebih sederhana (kecil) karena tidak seperti pada mesin pembakaran luar yang memerlukan komponen tambahan, misalnya pada mesin uap maka mesin tersebut memerlukan ketel uap.
• Karena konstruksi mesin sederha maka mesin pembakaran dalam ini tidak memerlukan tempat yang luas atau tidak memakan tempat dibandingkan dengan mesin pembakaran luar/
• Lebih cepat dan lebih mudah untuk dijalankan (dioperasikan).

Pada engine jenis internal combustion penggolongan engine selanjutnya terdiri dari: reciprocating engine(mesin piston), dan rotary engine

1.    Reciprocating engine(mesin piston)

Reciprocating engine(mesin piston) merupakan mesin pembakaran dalam, dimana poros engkol diputar oleh piston yang bergerak ke atas dan ke bawah dalam silinder. Pada engine jenis Reciprocating engine(mesin piston) penggolongan engine selanjutnya berdasarkan bahan bakar terdiri dari: Diesel engine dan gasoline engine (mesin bensin). Penggolongan ini juga bisa berdasarkan proses terjadinya pembakaran bahan bakar, mesin diesel proses pembakaran terjadi akibat kompresi tinggi, sendangkan mesin  bensin terjadi akibat adanya percikan bunga api dari busi.

a.   Diesel engine.

Motor bakar diesel biasa disebut juga dengan mesin diesel (atau mesin pemicu kompresi) adalah motor bakar pembakaran dalam yang menggunakan panas kompresi untuk menciptakan penyalaan dan membakar bahan bakar yang telah diinjeksikan ke dalam ruang bakar. Mesin ini tidak menggunakan busi seperti mesin bensin atau mesin gas. Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang (biodiesel). Mesin ini kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering.

Mesin diesel memiliki efisiensi termal terbaik dibandingkan dengan mesin pembakaran dalam maupun pembakaran luar lainnya, karena memiliki rasio kompresi yang sangat tinggi. Mesin diesel kecepatan-rendah (seperti pada mesin kapal) dapat memiliki efisiensi termal lebih dari 50%.

Mesin diesel dikembangkan dalam versi dua-tak dan empat-tak. Mesin ini awalnya digunakan sebagai pengganti mesin uap. Sejak tahun 1910-an, mesin ini mulai digunakan untuk kapal dan kapal selam, kemudian diikuti lokomotif, truk, pembangkit listrik, dan peralatan berat lainnya. Pada tahun 1930-an, mesin diesel mulai digunakan untuk mobil. Sejak saat itu, penggunaan mesin diesel terus meningkat dan menurut British Society of Motor Manufacturing and Traders, 50% dari mobil baru yang terjual di Uni Eropa adalah mobil bermesin diesel, bahkan di Prancis mencapai 70%.

Mesin Diesel dua tak

Mesin diesel 2 tak menggunakan 2 langkah atau two-stroke dalam menempuh satu kali siklus kerja. Sementara tiap langkah, itu membutuhkan setengah putaran engkol. Jadi bisa dikatakan prinsip kerja motor diesel 2 langkah adalah mesin yang mengubah energi panas (kimiawi) menjadi energi gerak dengan satu kali putaran engkol.

Energi panas, dihasilkan dari pembakaran antara solar dan oksigen yang dikompresi. Hasil dari pembakaran tersebut akan menimbulkan daya ekspansi yang mendorong piston untuk bergerak.

Mesin Diesel 4 Tak

Penamaan 4 tak itu memiliki arti 4 langkah, atau dalam bahasa Inggris 4-stroke. Yang artinya mesin ini memiliki empat langkah dalam satu siklus kerja. 4 langkah itu adalah :

1)    Langkah hisap

2)    Langkah kompresi

3)    Langkah usaha

4)    Langkah buang

Antara mesin diesel 2 tak dan 4 tak bisa dilihat perbedaannya, mesin diesel 2 tak menghasilkan satu kali pembakaran setiap satu putaran engkol. Hasilnya tenaga lebih besar namun bahan bakar lebih boros. Sementara mesin diesel 4 tak, menghasilkan satu kali pembakaran setiap dua kali putaran engkol. Hasilnya bahan bakar lebih irit namun power kalah. Berikut cara kerja mesin diesel 4 tak

Mesin diesel dari model ruang bakarnya dibagi menjadi dua, yaitu :

1)    Indirect Combustion

Indirect injection berasal dari dua kata, in (anti/tidak) dan direct (langsung). Sehingga bisa diartikan bahwa diesel indirect injection adalah sebuah mesin diesel yang melaksanakan pembakaran tidak secara langsung. Pembakaran tidak langsung artinya, proses pembakaran mesin tidak secara langsung pada ruang piston, namun terdapat sebuah combustion camber yang terletak terpisah dengan ruang piston namun masih memiliki saluran ke ruang piston. Sehingga saat terjadi pembakaran, energi akan tersalurkan ke piston dan akan membuat mesin bekerja maksimal. Tujuan pembakaran tidak langsung ini adalah agar mesin diesel khususnya mesin diesel menengah ke bawah dapat bekerja lebih efisien, dengan menciptakan sebuah ruangan dimana udara dapat menggumpal dengan tekanan yang tinggi. Sehingga saat solar keluar dari injector, pembakaran dapat berlangsung dengan baik.

Pada mesin diesel berkapasitas besar seperti pada truck tronton dan bus, jenis pembakaran indirect tidaklah efektif. Karena sudah mengusung displacement yang besar, sehingga ruang bakar juga memiliki volume yang besar pula. Untuk itu jenis mesin diesel dengan displacement besar banyak menggunakan sistem bahan bakar direct injection.

Secara umum baik mesin diesel direct injection atau bukan, memiliki komponen dengan fungsi yang sama. Namun pada sistem indirect, ada beberapa komponen yang nihil pada sistem direct injection.

·         Glow plug

Glow plug atau busi pijar adalah komponen pada mesin diesel yang berfungsi untuk memanaskan ruang bakar saat kondisi suhu mesin masih dingin. Cara kerja glow plug adalah dengan mengubah energi listrik menjadi panas melalui kawat yang memijar bila dialiri arus listrik. Pada sistem injeksi tidak langsung, busi pijar menjadi komponen wajib karena akan sangat membantu khususnya saat start dingin. Tapi tidak menutup kemungkinan sistem direct injection untuk menggunakan komponen ini. Untuk mesin CRDI dengan kapasitas menengah juga banyak menggunakan glow plug untuk membantu menghidupkan mesin di pagi hari.

·         Combustion Chamber

Sebetulnya, baik mesin bensin atau mesin diesel harus memiliki ruang bakar yang akan digunakan sebagai tempat terjadinya pembakaran. Namun pada mesin diesel khususnya indirect injection, ruang bakar diletakan terpisah dari piston. Umumnya mang ruang bakar terletak tepat diatas piston agar hasil panas pembakaran langsung digunakan untuk menggerakan mesin. Namun pada mesin diesel, memiliki perbandingan kompresi yang tinggi. Sehingga ruang bakar juga menjadi lebih kecil. Jika mesin ini memiliki displacement besar tentu tidak masalah, tapi jika mesin diesel cc kecil maka akan menyulitkan proses pembakaran. Untuk itulah combustion chamber dibuat agar udara dapat lebih menggumpal pada suatu ruang.

Cara Kerja Sistem injeksi tidak langsung mesin diesel Sistem indirect injection hanya memiliki perbedaan saat langkah kompresi dan usaha. Sementara secara umum, cara kerja mesin diesel indirect injection sama dengan prinsip kerja mesin diesel umum. Sebelum menyalakan mesin diesel indirect, terlebih dahulu mengaktifkan glow plug selama sekitar 1 menit agar suhu pada ruang bakar meningkat. 

Keuntungan dari Indirect Injection:

• Tingkat turbulen yang tetap tinggi di berbagai putaran mesin
• Tidak memerlukan sistem injeksi yang tinggi
• Kecil kemungkinan untuk terjadinya penyumbatan pada injektor

Kerugian dari Indirect Injection:

• Konsumsi BBM yang kurang efisien dan perpindahan panas yang rendah
• Rasio kompresi yang lebih tinggi dibutuhkan saat start

2)    Direct Injection

Sistem direct injection adalah sistem dimana bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar yang terletak pada bagian mahkota pada piston. Untuk menghasilkan campuran bahan bakar dan udara lebih efektif, maka digunakan nozzle dengan type hole. Pada type direct injection, piston memiliki cavity di bagian muka piston.

Keuntungan dari penggunaan sistem ini :

• Hemat bahan bakar

Karena bahan bakar diinjeksikan secara langsung ke dalam ceruk pada mahkota dari piston, energi yang di hasilkan pada langkah usaha digunakan sepenuhnya untuk menekan piston ke TMB.

Karena tidak memiliki lubang penghubung antara ruang bakar mula dan ruang bakar utama, sehingga tidak mengalami kerugian pada saat campuran udara dan bahan bakar melewati saluran penghubung.

• Karena perbandingan kompresi yang rendah pada type ini, akan mengurangi kerugian gesekan yang disebabkan oleh gerakan piston ring dengan cylinder liner.
• Daerah penyalaan dari ruang bakar lebih kecil sehingga kerugian panas akibat adanya air pendingin dapat dikurangi.
• Kompresi rasio yang rendah, memudahkan pencapaian TMA pada saat menghidupkan mesin dengan tangan dan engkol starter
• Kerugian panas dan gesekan yang kecil, maka tidak memerlukan alat penyalaan awal (preheating)
• Karena konstruksinya yang tanpa ruang bakar mula, beban panas akan menjadi lebih kecil, sehingga tidak ada distorsi pada kedudukan katup (valve seat) maupun keretakan pada cylinder head karena panas berlebihan.

Kerugian dari Direct Injection:

• Cederung suara mesin lebih kasar dan bising
• Lebih rentan terhadap penyumbatan dalam injektor karena lubang injektor lebih kecil
• Output tenaga yang cenderung lebih kecil
• Turbulensi kecil pada kecepatan rendah

 B.   Spark Ignited Engine

Spark Ignited Engine atau biasa di sebut dengan OTTO engine atau mesin bensin adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis.

Mesin bensin berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan udara, dan mesin bensin selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran.

Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar disuntikan ke dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur dengan udara yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya.

Pada mesin bensin, umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi. Bahan bakar yang becampur udara mengalir kedalam ruang bakar dan dikompresikan dalam ruang bakar, kemudian dipercikan bunga api listrik yang berasal dari busi. Karena itu motor bensin disebut juga sebagai spark ignation engine. Ledakan yang terjadi dalam ruang bakar mendorong torak, kemudian mengerakan poros engkol untuk didistribusikan ke roda.

 Tipe-tipe mesin bensin berdasarkan siklus proses pembakaran adalah:

• Mesin dua tak, memerlukan dua langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.
• Mesin empat tak, memerlukan empat langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.
• Mesin enam tak, memerlukan enam langkah piston dalam satu siklus proses pembakaran.
• Mesin wankel (rotary engine/wankel engine). memerlukan satu putaran penuh rotor dalam satu siklus pembakaran.

a.    Mesin Bensin 2 tak

Motor bakar dua tak adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran akan mengalami dua langkah piston, berbeda dengan putaran empat-tak yang mengalami empat langkah piston dalam satu kali siklus pembakaran, meskipun keempat proses intake, kompresi, tenaga dan pembuangan juga terjadi.

Prinsip kerja Motor bakar dua tak yakni dengan menghasilkan satu siklus di setiap putarannya. Artinya satu putaran engkol berarti satu siklus mesin.

Ini sangat berbeda dengan motor bakar 4 tak yang memiliki dua putaran engkol dalam satu siklus kerja mesin. Motor 4 tak memiliki 4 langkah dimana setiap langkah itu memakan setengah putaran engkol, sementara motor 2 tak itu hanya memiliki 2 langkah sehingga cukup 1 putaran untuk menghasilkan siklus kerja mesin.

Mesin Bensin 4 tak

Four stroke engine adalah sebuah mesin dimana untuk menghasilkan sebuah tenaga memerlukan empat proses langkah naik-turun piston, dua kali rotasi kruk as, dan satu putaran noken as (camshaft).

Empat proses tersebut terbagi dalam siklus :

1)    Langkah hisap

2)    Langkah kompresi

3)    Langkah usaha

4)    Langkah buang

Wankel / Rotari engine

Mesin wankel atau disebut juga mesin rotary adalah mesin pembakaran dalam yang digerakkan oleh tekanan yang dihasilkan oleh pembakaran diubah menjadi gerakan berputar pada rotor yang menggerakkan sumbu.

Mesin ini dikembangkan oleh insinyur Jerman Felix Wankel. Dia memulai penelitiannya pada awal tahun 1950an di NSU Motorenwerke AG (NSU) dan prototypenya yang bisa bekerja pada tahun 1957. NSU selanjutnya melisensikan konsepnya kepada beberapa perusahaan lain di seantero dunia untuk memperbaiki konsepnya.

Prinsip Kerja mesin Wankel

Posisi rotor sisi a merupakan proses langkah hisap, pada langkah hisap campuran udara dan bahan bakar dihisap masuk ke ruang vakum.

-       Posisi rotor sisi b awal merupakan proses langkah kompresi, pada langkah ini campuran udara dan bahan bakar dikompresikan, posisi rotor sisi b akhir merupakan proses langkah usaha, pada langkah ini busi membakar campuran udara dan bahan bakar, tekanan tinggi hasil dari pembakaran menghasilkan ledakan dan menimbulkan tenaga untuk menggerakkan rotor.

-       Posisi rotor sisi c merupakan proses langkah pembuangan, pada langkah ini tekanan tinggi hasil pembakaran keluar melalui exhaust port menuju knlapot.

 3.    Rotational Motion Type Engine

Turbin Gas

Turbin gas/ Gas-turbine adalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk memutar turbin dengan memanfaatkan kompresor dan mesin pembakaran internal. Di dalam turbin gas, energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan yang memutar sudu turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin gas terdiri dari tiga komponen utama, yaitu kompresor, ruang bakar dan turbin.

Turbin gas digunakan sebagai penggerak generator listrik. Agar turbin dapat berputar, dibutuhkan beberapa komponen yang lain. Turbin gas merupakan serangkain komponen yang dirangkai menjadi kesatuan yang dinamakan siklus brayton. Siklus ini terdiri dari kompresor, combuster, dan turbin.  Agar turbin gas dapat beroperasi dengan baik dan seefisien mungkin, turbin gas diperlukan peralatan-peralatan lain seperti lubrication system, control system, cooling system, fuel system, dan lain-lain.

Pada pembangkit listrik, turbin gas tidak hanya digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Akan tetapi turbin gas ini juga digunakan sebagai pemanas ada HRSG (Heat Recovery SteamGenerator). Temperatur pada sisi exhaust turbine masih cukup tinggi. Apabila gas sisa dari turbin gas dibuang ke atmosfir akan sia-sia.

 

FUNGSI DAN PRINSIP KERJA TURBIN GAS

Dalam aplikasinya, turbin gas tidak dapat bekerja tanpa komponen kompresor dan ruang bakar/combuster. Ketiga komponen tersebut membentuk siklus yang dikenal dengan nama ”Siklus Brayton”. Fungsi dan prinsip kerja dari siklus ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Turbin gas pada kondisi ideal memanfaatkan gas bertekanan yang didapat dari udara atmosfir yang dimampatkan dengan menggunakan kompresor pada kondisi isentropik (reversibel adiabatik/entropi konstan). Udara yang bertekanan tinggi ini kemudian dibakar dalam ruang bakar pada tekanan tetap. Dari ruang bakar, gas yang sudah dibakar bersama dengan bahan bakar diekspansikan ke turbin sebagai penggerak beban generator.

proses 1-2 : Proses pemempatan udara secara isentropik dengan menggunakan kompresor

proses 2-3 : Pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan. Pemasukan bahan baker ini dilakukan di dalam combuster

 

proses 3-4 : Proses ekspansi gas hasil pembakaran (dari combuster). Ekspansi gas panas hasil pembakaran dilakukan pada turbin. Ekspansi dilakukan dalam kondisi isentropik.

 

proses 4-1 : Proses pembuangan panas pada tekanan konstan.

 

Pada proses pemampatan udara (proses 1-2), secara termodinamika kompresor membutuhkan kerja sebesar selish entalpi antara inlet kompresor dengan exhaust kompresor. Pada combuster (proses 2-3) terjadi pemasukan kalor dari pembakaran bahan bakar bersama-sama dengan udara yang dimampatkan. Sedangkan pada proses ekspansi pada turbin (proses 3-4), gas hasil pembakaran digunakan sebagai tenaga untuk memutar sudu-sudu pada rotor turbin. Rotor yang berputar ini akan memutar poros/shaft yang akan memutar poros generator. Generator inilah yang akan membangkitkan listrik. Isentropik merupakan kondisi entropi yang terjadi konstan.

Prinsip Kerja Kompresor

Kompresor yang biasanya dipakai pada turbin gas adalah axial compressore dan centrifugal compressore. Pada axial compressore, bentuk dari sudu-sudu rotor mendekati bentuk dari airfoils. Secara global kompresor bekerja dengan cara menyedot udara kemudian mendorong udara ini ke sudu tetap. Pada sudu tetap ini, bentuknya menyerupai bentuk dari difusor. Difusor ini berfungsi untuk memperbesar tekanan dan menurunkan kecepatan dari udara (prinsip bernoully aparatus).

Prinsip Kerja Combuster

Dari kompresor, udara bertekanan dibawa ke ruang bakar (combuster). Di ruang bakar, udara bertekanan dibakar bersama dengan fuel/bahan bakar. Bahan bakar yang umum dipakai dalam ruang bakar ini adalah gas alam (natural gas). Selain gas alam, bahan bakar yang biasa dipakai sebagai bahan bakar adalah fuel oil/ minyak (dengan efisiensi tinggi). Bahan bakar yang dibakar berfungsi untuk menaikkan temperatur. Combuster didesain untuk menghasilkan campuran, pengenceran dan pendinginan sehingga gas yang keluar dari ruang bakar merupakan temperatur rata-rata dari campuran. Panjang dari ruang bakar didesain dengan mempertimbangkan waktu dan tempat yang cukup untuk bahan bakar bisa terbakar sempurna dan memudahkan pemantik untuk membakar bahan bakar menjadi lebih mudah. Desain ruang bakar juga mempertimbangkan masalah residu pembakaran. Desain ruang bakar harus mempertimbangkan bagaimana mereduksi gas NOx.

Prinsip Kerja Turbin

Pada turbin gas, temperature and preassure drop, dikonversi diubah menjadi energi mekanik. Konversi energi berlangsung dalam dua tahap. Pada bagian nosel, gas panas mengalami proses ekspansi. Sedangkan energi panas diubah menjadi energi kinetik. Hampir 2/3 dari kerja yang dibutuhkan dari siklus ini diperlukan untuk menggerakkan kompresor. Oleh karena itu, kerja output dari turbin, dipakai untuk menggerakkan poros penggerak beban, hanya mempresentasikan 1/3 dari kerja siklus.

Pada turbin, khususnya pada 1st stage, yang menggerakkan bucket dan disc, harus mampu menahan temperatur yang cukup ekstrim (2200°F/ 1204°C). Temperatur yang sangat tinggi ini juga bercampur dengan kotoran/ kontaminan dari udara dan bahan bakar sehingga sangat rawan terkena korosi. Kontaminasi ini sangat sulit untuk dikontrol,sehingga dibutuhkan bahan paduan/alloys dan proses coating yang cukup bagus untuk melindungi material dari korosi dan memaksimalkan umur dari komponen ini.

B. External Combustion Engine (ECE) atau Mesin Pembakaran Dalam

Mesin pembakaran luar atau dalam bahasa inggrisnya disebut eksternal combustion engine adalah mesin yang menghasilkan sebuah usaha atau tenaga dimana pembakarannya dilakukan diluar mesin itu sendiri contohnya adalah mesin uap. pada mesin uap ini air yang dipanaskan lalu diubah menjadi uap, uap yang berhembus kencang tersebut diarahkan pada bilah-bilah atau daun turbin, dimana daun atau bilah turbin tersebut dihubungkan dengan sebuah as, kalau daun turbin tersebut ditendang oleh uap yang diarahkan padanya maka otomatis as juga akan ikut berputar

Kerjakan Tes Berikut

👇👇👇👇👇

Tes Pemahaman Klasifikasi Engine