TEORI MOTOR DIESEL
MINGGU III

SIKLUS DAN PROSES PEMBAKARAN MOTOR DIESEL

Tujuan:
• Mengidentifikasi siklus kerja motor Diesel
• Mengidentifikasi perbedaan siklus 4 & 2 tak.
• Mengidentifikasi Diagram P-V
• Menganalisis proses pembakaran motor Diesel
• Memacu keingintahuan mahasiswa terhadap motor Diesel.

Apa Yang Terjadi di dalam Silinder?
Seperti telah dikemukakan sebelumnya bahwa motor Diesel merupa-kan salah satu jenis dari mesin pembangkit tenaga. Motor Diesel termasuk mesin pembakaran dalam atau internal combustion engine, artinya proses pembentukan energy panas terjadi di dalam mesin itu sendiri. Sekarang apa yang terjadi di dalam mesin? Mesin berusaha merubah energy kimia menjadi energy mekanik yang dimafaatkan sebagai sumber tenaga.
Energy kimia bahan bakar yang dikenal sebagai hidrocarbon (CH), disenyawakan dengan oksigen agar dapat dilakukan proses pembentukan energy panas melalui proses pembakaran. Pertama-tama mesin berusaha merubah bentuk fisik bahan bakar dari bentuk cair menjadi bentuk gas. Bahan bakar dikabutkan, agar mudah menguap atau menjadi bentuk gas. Kondisi ini baru memungkinkan bahan bakar bersenyawa dengan oksigen dari udara. Konsentrasi ini akan memungkinkan terjadinya proses pembakaran, setelah ketiga syarat pembakaran yaitu bakan bakar, oksigen dan panas saling berhubungan.
Kalor hasil pembakaran tersebut selanjutnya menyebabkan terjadi-nya pemuaian gas di dalam silinder, yang diindikasikan naiknya tekanan. Tekanan tersebut selanjutnya dimanfaatkan untuk menghasilkan energy mekanik berupa putaran pada poros engkol. Dengan demikian mesin akhirnya menghasilkan tenaga seperti yang diharapkan.
Siklus Motor Diesel
Motor Diesel untuk menghasilkan tenaga/daya seperti yang diharap-kan melalui serangkaian proses yang terus berulang-ulang, atau dikenal dengan terjadinya siklus yang berulang-ulang. Siklus pada motor Diesel terdiri dari empat proses, yaitu proses isap, kompresi, usaha dan proses buang. Terdapat dua cara dalam menyelesaikan setiap siklus tersebut, cara pertama diselesaikan dengan empat langkah piston, atau dua putaran poros engkol. Cara pertama disebut dengan motor Diesel empat Tak. Cara kedua siklus diselesaikan dalam dua langkah piston atau satu putaran poros engkol, cara ini disebut dengan motor Diesel dua Tak.

Berikut ini rangkaian penyelesaian siklus pada motor Diesel 4 Tak.

Gambar 1. Siklus Motor Diesel 4 Tak

Proses pertama, adalah proses isap. Piston bergerak dari TMA menuju ke TMB, dan proses isap dimulai saat katup isap/masuk mulai ter-buka. Kevacuuman di dalam silinder menyebabkan terjadinya proses isap. Pada motor Diesel yang masuk kedalam silinder hanya udara.
Proses kedua, adalah proses kompresi. Proses ini dimulai saat katup mulai tertutup dan piston bergerak dari TMB ke TMA. Piston mengkompresikan udara, hingga temperatur dan tekanan udara naik. Temperatur udara naik hingga mencapai titik nyala bahan bakar (solar). Proses kompresi salah tugasnya, adalah menyediakan salah satu syarat untuk terjadinya proses pembakkaran, yaitu panas untuk menyalakan.
Proses ketiga, adalah proses usaha. Pada akhir langkah kompresi bahan bakar diinjeksikan atau dikabutkan ke dalam silinder. Dengan demikian kini di dalam silinder terdapat tiga unsur proses pembakaran, yaitu oksigen (dari udara), CH (dari bahan bakar), dan panas (yang mencapai titik nyala bahan bakar). Berkumpulnya ketiga unsur tersebut menyebabkan terjadinya proses pembakaran di dalam silinder, dan terjadi kenaikan temperatur dan tekanan. Tekanan hasil pemabakaran dikalikan dengan luas piston akan terjadi gaya (force) yang mendorong piston melakukan proses usaha dari TMA menuju TMB.
Proses keempat, adalah proses buang. Seperti yang telah dijelas-kan sebelumnya, agar motor Diesel dapat mengahsilkan tenaga/daya secara terus-menerus, maka akan terjadi proses pengulangan siklus yang terus menerus juga. Untuk bisa mengulang siklus berikutnya, maka segala sesuatu yang ada di dalam silinder yang merupakan sisa dari siklus sebelumnya harus dikeluarkan dari dalam silinder, atau dibuang. Oleh karena itu, piston bergerak dari TMB ke TMA untuk mengeluarkan hasil pembakaran yang telah di pergunakan untuk menghasilkan daya. Materi ini sering disebut dengan gas buang, yang masih mengandung panas/kalor dan tekanan yang cukup tinggi. Untuk itu agar tidak menjadi materi pencemar udara, gas buang dikelola menggunakan exhaust system. Sehingga exhaust system bertugas untuk memproses gas buang layak untuk dibuang keudara luar. Proses pembuangan ini dimulai saat katup buang muali terbuka dan akan berakhir saat katup buang mulai tertutup.
Berikut adalah siklus yang terjadi pada motor Diesel 2 Tak. Siklus motor tetap terdiri dari empat proses yaitu isap, kompresi, usaha, dan buang. Keempat proses tersebut pada motor Diesel 2 Tak diselesaikan dalam dua langkah piston atau satu putaran poros engkol. Untuk mendukung kerja motor Diesel 2 Tak dilengkapi dengan pompa bilas, yang dalam gambar berikut ini digunakan sebuah blower. Pompa bilas atau blower dipergunakan untuk memasukan udara kedalam silinder.

Gambar 2. Siklus Motor Diesel 2 Tak.
Proses isap dan buang berlangsung pada waktu bersamaan, yaitu saat katup membuka saluran buang dan diikuti oleh terbukanya saluran masuk yang dibuka oleh piston yang bergerak ke TMB. Dengan terbukanya katup buang terlebih dahulu, maka gas buang telah mempunyai aliran kearah ke saluran buang. Kondisi ini diikuti oleh udara baru yang masuk kedalam silinder baik karena terbawa aliran gas buang dan karena tekanan dari pompa bilas. Proses pemasukan ini akan berlangsung terus, hingga saluran masuk tertutup oleh piston. Sementara proses pembuangan akan berakhir saat katup buang tertutup. Sehingga proses isap dimulai saat saluran masuk mulai terbuka oleh piston dan berakhir saat ditutup oleh piston. Sedangkan proses pembuangan diawali saat katup buang terbuka, dan diakhiri saat katup buang tertutup. Saat saluran masuk terbuka hingga katup buang tertutup disebut dengan proses pembilasan, yaitu penggantian isi ruang silinder dari gas buang oleh gaas baru. Lihat prosesnya seperti pada gambar 2 sebelah kiri.
Proses Kompresi, dimulai saat saluran masuk & buang tertutup, dan piston bergerak dari TMB ke TMA. Piston memampatkan udara di dalam silinder, hingga naik tekanan dan temperaturnya. Pada akhir langkah kompresi temperatur udara mencapai titik nyala bahan bakar, sebagai salah satu perrsyaratan terjadinya proses pembakaran. Proses kompresi akan berlangsung hingga piston mencapai TMA. Lihat gambar 2 yang tengah.
Proses usaha, diawali dari TMA hingga katup buang terbuka. Sebelum TMA bahan bakar diinjeksi/dikabutkan kedalam silinder. Dengan demikian di dalam silinder berkumpul tiga unsur terjadinya proses pembakaran, yaitu udara, bahan bakar, dan panas. Oleh karena itu terjadilah proses pembakaran di dalam silinder, yang menghasilkan panas untuk menaikan tekanan di dalam silinder. Tekanan hasil pembakaran inilah yang dikonversikan menjadi gaya yang mendorong piston melakukan langkah usaha. Langkah usaha akan berakhir saat katup buang mulai dibuka, dan di ikuti dengan proses pembuangan dan pemasukan seperti dijelaskan di atas. Lihat gambar 2 yang kanan.

Diagram Katup
Apabila diperhatikan, keempat proses dalam siklus motor Diesel, di atas dibatasi oleh tertutup atau terbukanya saluran masuk atau buang. Kondisi ini selanjutnya disusun dalam sebuah diagram yang dikenal dengan diagram katup atau Valve Timing Diagram. Diagram katup mengambarkan, hasil pengaturan saat pembukaan dan penutupan katup masuk maupun buang, yang membatasi lamanya keempat proses dalam setiap siklus motor Diesel.
Berikut ini (gambar 3) salah satu contoh diagram katup motor Diesel 4 Tak dan 2 Tak. Perhatikan gambar 3 sebelah kiri, adalah diagram katup motor Diesel 4 Tak. Katup isap/masuk terbuka 750 sebelum TMA dan di tutup 450 sesudah TMB. Sehingga lama proses pemasukan udara kedalam silinder selama 3000 derajat engkol atau hampir 2 langkah piston kurang 600. Pada motor Diesel berani membuka katup masuk lebih awal , agar diperoleh ruang pembakaran yang lebih bersih (proses pembilasan). Di samping itu, diperoleh manfaat yang lainnya yaitu jumlah udara yang masuk kedalam silinder akan lebih banyak, atau meningkatkan rendamen volumetrik

Gambar 3. Diagram Katup Motor Diesel 4 Tak dan 2 Tak
Katup masuk ditutup sesudah TMB, yaitu sebesar 450. Saat penutup an ini ditentukan dari, telah berhentinya aliran udara masuk kedalam silinder. Ditutup sebelumnya atau sesudah sudut tersebut, maka akan mengurangi jumlah udara yang ada di dalam silinder. Ditutup sebelum sudut tersebut, berarti menghentikan aliran udara yang masuk ke dalam silinder. Ditutup sesudah sudut tersebut, udara yang sudah di dalam silinder akan mengalir ke luar.
Saat katup masuk ditutup 450 sesudah TMB, dilanjutkan dengan proses kompresi sampai dengan TMA. Beberapa derajat sebelum TMA bahan bakar diinjeksikan kedalam silinder. Terjadilah proses pembakaran, yang menaikan tekanan dan dihasilkan gaya yang mendorong piston melakukan langkah usaha. Langkah usaha akan berakhir saat katup buang terbuka, yaitu 550 sebelum TMB. Pembukaan katup buang ini ditentukan saat gaya dorong hasil pembakaran sudah tidak dapat menambah kecepatan putar poros engkol. Kondisi ini kemudian dimanfaatkan untuk proses pembuangan. Sebab semakin baik proses pembuangan, maka siklus selanjutnya akan menghasil-kan tenaga yang lebih baik.
Proses pembuangan, dimulai saat katup buang dibuka 550 sebelum TMB dan diakhiri saat katup buang ditutup yaitu 850 sesudah TMA. Sehingga lama proses pembuangan adalah 550 + 1800 + 850 = 3200, atau hampir 1 putaran poros engkol kurang 400. Bila diperhatikan berarti terjadi overlep pembukaan katup masuk dan buang sebesar 750 + 850 = 1600. Overlap pembukaan katup ini, terjadi proses pembilasan.

Proses Pembakaran
Berikut ini diagram proses injeksi dan pembakaran motor Diesel

Gambar 4. Proses Injeksi & Proses Pembakaran Motor Diesel
Tujuan proses pembakaran adalah menghasilkan energi panas dan menaikkan tekanan yang tinggi di dalam silinder, tekanan tersebut untuk dirubah menjadi energi mekanik pada poros engkol.
Bahan bakar Diesel adalah hidrocarbon. Bila bahan bakar dibakar dengan udara yang cukup, maka akan dihasilkan sebagai berikut:
CxHy + O2 ? H2O + CO2
Namun bila tidak tersedia udara yang cukup, baik karena jumlah atau karena kondisi campuran yang heterogen, maka akan dihasilkan kondisi sebagai berikut:
CxHy + O2 ? H2O + CO2 + CO + HC + dst
CO menjadi gas beracun, HC dan Carbon yang tidak mendapatkan oksigen akan menjadi asap tebal pada gas buang.
Bahan bakar dinjeksikan ke dalam silinder dlm periode waktu (A – D) Sementara proses pembakaran terjadi antara B – E. Periode A – B disebut sebagai periode delay, dimana terjadi persiapan awal penyalaan bahan bakar. Pada periode delay tersebut terjadi proses atomisasi dan penetrasi. Atomisasi merupakan persiapan proses penguapan bahan bakar. Seperti diketahui bahan bakar akan terbakar bila dapat berekasi dengan oksigen (udara). Untuk dapat bereaksi, maka harus dalam bentuk fisik yang sama yaitu dalam bentuk gas. Sementara penetrasi adalah proses penyebaran bahan bakar keseluruh ruangan di dalam silinder, yaitu untuk mencapai campuran yang homogen.
Ignition Delay merupakan proses untuk mempersiapkan reaksi antara bahan bakar dengan udara tersebut. Panjang dan pendeknya DP akan seperti pada gambar berikut. Ignition Delay yang baik adalah yang pendek, hingga tidak perlu terjadi penumpukan jumlah bahan bakar yang di injeksikan ke dalam silinder. Semakin panjang ignition delay maka akan semakin terasa terjadinya detonasi di dalam silinder. Detonasi merupakan fenomena meningkatnya tekanan secara mendadak di dalam silnder. Pada motor Diesel tekanan mendadak akan terjadi saat terjadi pembakaran bahan bakar dalam jumlah yang banyak sekaligus. Hal ini terjadi bila igni-tion delay panjang (lihat gambar 5). Beberapa Faktor yang mempengaruhi ignition delay, Perbandingan kompresi, Temperatur udara yang masuk, Temperatur air pendingin, dan Kecepatan mesin