MESIN DIESEL COMMON RAIL

MESIN DIESEL COMMON-RAIL

A.     Pendahuluan

    Selama ini mesin Diesel memiliki image atau dikenal digunakan pada kendaraan niaga dengan suara mesin  yang keras dan asap knalpotnya pekat, berbau dan kotor. Hal itu adalah mesin  Diesel hasil produksi masa lalu. Dengan terus dikembangkannya teknologi mesin Diesel, sejak tahun 1997 di Eropa sudah banyak kendaraan sedan kecil bermesin Diesel modern. Suara mesinnya halus seperti mesin  bensin, nyaman dipakai, kecepataannya tinggi,  konsumsi pemakaian bahan bakar ekonomis dan ramah lingkungan, bahkan pemakaian konvertor katalitis jenis oksidasi, yang mengubah karbon monoksida (CO) dan hydro­carbons (HC) dari gas buang, adalah alat-alat perlengkapan standar pada mesin Diesel modern. Saat ini kendaraan bermesin Diesel modern sudah mulai banyak di jalanan negara kita Indonesia.

Mesin Diesel putaran tinggi injeksi langsung yang modern menggunakan Sistem Common-Rail, yaitu  sistem injeksi bahan bakar yang mengurai ke dalam atom bahan bakar dengan cukup sempurna melalui tekanan injeksi yang tinggi pada  injektor bahan bakar. Komponen utama dari sistem common-rail adalah injektor, yang terdiri dari dua jenis: injektor katup solenoid dan injektor piezo inline yang baru, yang diperkenalkan tahun 2004. 

Teknologi mesin diesel dengan sebuah mesin dengan bahan bakar solar . sistem ini justru main di sistem Bahan bakar, di sistem konvensional ada komponen-komponen penunjang sistem. di konvensional ada injection pump assembly, priming pump dan juga feed pump yang menyalurkan bahan bakar ke ruang pembakaran, sekarang Mesin diesel sudah bekerja dengan sistem elektronis atau sekarang familiar dengan Common rail. common rail terdiri dari pressure sensor,pressure limiter, solenoid injector sebagai komponen tambahan. Ada perbedaan dengan type diesel yang lama, yaitu sistem common rail ini digabungkan dengan sistem injeksinya yang dikontrol secara elektronik. type diesel yang lama injektor membuka karena tekanan bahan bakar, tetapi pada common rail yang membuka injektor adalah arus dari ECU. jadi injektornya prinsip kerjanya hampir sama dengan injekto mobil bensin. Common Rail system adalah mesin diesel yang sistem bahan bakarnya dikontrol secara elektrikal. Pada saat mesin bekerja selalu terdapat tekanan bahan bakar yang cukup tinggi. Kontrol tekanan tinggi tersebut pada setiap injector diatur secara independen. Sistem tekanan dan waktu penginjeksian dirangcang untuk mesin high speed direct injection. Parameter injeksi seperti waktu penginjeksian, jumlah injeksi dan tekanan dikontrol oleh Electronic Control Unit (ECU). Pada mesin diesel biasa, pompa digerakkan oleh engine dan fungsinya adalah untuk memastikan jumlah bahan bakar yang sesuai dan distribusi bahan bakar ke setiap injector dan mengatur bukaannya. Pada sistem Common Rail, pompa hanya bertugas untuk manumpuk bahan bakar pada tekanan yang sangat tinggi di dalam jalur pengumpan biasa (common feeding line) dari cabang injectors.Pembukaan injectors dikontrol oleh Electronic Control Unit (ECU) dan sensor-sensor. Disamping meningkatkan performa dan mengurangi noise serta menurunkan tingkat emisi gas buang, sistem Common Rail ini juga memungkinkan mesin diesel untuk mencapai keinginan pemakai kendaraan di dunia.

 

Kontrol secara elektronik pengiriman bahan bakar dan injeksi di depan memungkinkan bahan bakar dapat dipompa secara optimal terlepas dari kecepatan putaran mesin. Oleh karena itulah tekanan tinggi dapat dipertahankan secara konstan meskipun mesin berputar dengan kecepatan rendah. Masalah utama yang harus dihadapi untuk meningkatkan performa dan konsumsi bahan bakar adalah : tingkat keakuratan jumlah bahan bakar yang disemprotkan ke ruang bahan bakar.

B.    Penggunaan dan Desain Sistem Common-Rail

Sistem injeksi bahan bakar common-rail untuk mesin Diesel injeksi langsung (Direct Injection atau DI) dipergunakan pada kendaraan berikut ini :

 ·     Mobil-mobil penumpang, mesin 3-silinder yang sangat ekonomis dengan volume silinder  800 cc,  daya keluar 30 kW (41 HP), momen putar 100 Nm, dan konsumsi bahan bakar 3,5 liter/100 km sampai dengan mesin 8-silinder pada mobil sedan mewah dengan volume silinder (displacement) sekitar 4 liter,  daya keluar 180 kW (245 HP), dan momen putar 560 Nm.

 ·        Truk ukuran kecil dengan mesin yang menghasilkan daya sampai 30 kW/silinder, dan

 ·    Truk ukuran besar, kereta api lokomotif, dan kapal laut dengan mesin yang menghasilkan daya sampai sekitar 200 kW/silinder.

Sistem common-rail adalah sistem yang sangat fleksibel untuk menyesuaikan injeksi bahan-bakar ke mesin (engine). Hal ini dapat dicapai dengan :

 ·     Tekanan injeksi tinggi sampai sekitar 1600 bar, dan pada masa depan sampai 1800 bar.

 ·      Tekanan injeksi diadaptasi ke kondisi kerja (200-1800 bar).

 ·        Awal injeksi yang bervariasi.

 ·   Kemungkinan dari beberapa peristiwa pra injeksi dan injeksi sekunder (bahkan kondisi injeksi sekunder yang terlambat).

 Sistem common-rail umum terdiri dari kelompok komponen utama berikut :

 ·       Tahap  tekanan rendah,  meliputi komponen sistem pengaliran bahan bakar.

 ·    Sistem tekanan tinggi,  meliputi komponen seperti pompa tekanan tinggi, rel bahan bakar, injektor, dan saluran bahan bakar tekanan tinggi.

 ·    Kontrol Diesel Elektronik (Electronic Diesel Control atau EDC),  terdiri dari modul sistem, sensor, unit kontrol elektronik dan aktuator.

Komponen pokok dari sistem common-rail adalah injector, disatukan dengan katup aksi cepat (actuator katup solenoid atau piezo) yang membuka dan menutup nosel, komponen ini mengontrol proses injeksi untuk masing-masing silinder. Semua injektor dilayani oleh rel bahan bakar umum (common-rail), inilah yang menjadi asal dari istilah "common-rail”.

Gambar 1. Modul Sistem Unit Kontrol Mesin dan Sistem Injeksi Bahan Bakar Common-Rail

C.    Konsep Operasi

Pada sistem common-rail, fungsi dari pembangkitan tekanan dan penginjeksian bahan-bakar adalah terpisah. Tekanan injeksi dihasilkan independen dari kecepatan putar mesin dan jumlah bahan bakar yang disemprotkan. Pada kontrol diesel elektronik (EDC) mengontrol setiap komponen.

1.     Pembangkitan Tekanan

Pembangkitan tekanan dan injeksi bahan-bakar dipisahkan atas pertolongan volume akumulator. Bahan bakar di bawah tekanan disediakan pada volume akumulator dari common-rail siap untuk injeksi. Pompa tekanan tinggi bekerja terus-menerus yang diputar oleh mesin menghasilkan tekanan injeksi yang diinginkan. Tekanan pada rel bahan bakar dipelihara tanpa tergantung dengan putaran mesin atau kuantitas bahan bakar yang diinjeksikan. Pompa tekanan tinggi adalah pompa piston radial. Perhatikan gambar 2 berikut:

 a. Kontrol tekanan pada sisi tekanan tinggi  dengan cara mengaplikasikan katup kontrol tekanan untuk mobil penumpang.

 b.Kontrol tekanan pada sisi isap dengan unit metering yang disambungkan ke pompa tekanan tinggi (untuk mobil penumpang dan kendaraan komersial).

 c.Kontrol tekanan pada sisi isap dengan unit metering dan kontrol tambahan dengan katup kontrol tekanan (untuk mobil penumpang).

 

        1   Pompa tekanan tinggi

        2   Saluran masuk bahan bakar

        3   Pengembalian bahan bakar

        4    Katup kontrol tekanan

        5    Rel bahan bakar

        6    Sensor tekanan rel

        7     Sambungan injektor

  8  Sambngan  pengmbalian bahan bakar

        9     Katup relief tekanan

       10   Unit metering

      11   Katup kontrol tekanan

2.     Kontrol  Tekanan

a.     Kontrol Pada Sisi Tekanan Tinggi

Pada sistem mobil penumpang, tekanan rel yang diperlukan dikontrol pada sisi tekanan tinggi oleh sebuah katup kontrol tekanan (gambar 2a, 4 ). Bahan bakar tidak diperlukan untuk pengembalian aliran injeksi ke sirkuit tekanan rendah melalui katup kontrol tekanan.

Kontrol pada sisi tekanan tinggi diadopsi pada sistem common-rail yang pertama. Katup kontrol tekanan dipasang terutama pada rel bahan bakar. 

b.     Kontrol Aliran Bahan Bakar Pada Sisi Isap

Cara lain pengontrolan tekanan rel adalah untuk mengontrol aliran bahan bakar pada sisi isap (Gambar 2b). Unit metering (10) yang disambungkan pada pompa tekanan tinggi memastikan bahwa pompa mengalirkan kuantitas bahan bakar yang tepat ke rel bahan bakar agar memelihara tekanan injeksi yang diperlukan oleh sistem. Jika terjadi kesalahan, katup relief tekanan (9 ) mencegah tekanan rel melebihi batas maksimum.

c.     Sistem Dua-Aktuator

Sistem dua-aktuator (Gambar 2c) mengombinasikan kontrol tekanan pada sisi isap melalui unit metering dan kontrol pada sisi tekanan tinggi melalui katup kontrol tekanan, dengan demikian menggabungkan keuntungan dari kontrol sisi tekanan tinggi dan kontrol aliran bahan bakar sisi isap.

3.     Injeksi Bahan-Bakar

Injektor menyemprotkan bahan bakar secara langsung ke dalam ruang bakar mesin. Injektor dilayani oleh aliran bahan bakar tekanan tinggi yang pendek yang dihubungkan dengan rel bahan bakar. Unit kontrol mesin mengontrol katup switching yang diintegrasikan pada injektor untuk membuka dan menutup nosel injektor. Waktu buka injektor dan tekanan sistem menentukan kuantitas bahan bakar yang dialirkan. Pada tekanan tetap, kuantitas bahan bakar yang dialirkan sebanding dengan waktu switching dari katup solenoid. Oleh sebab itu, tidak tergantung dengan kecepatan putar mesin atau pompa (berdasar waktu injeksi bahan bakar).

4.     Daya Hidrolik Yang Potensial

Tekanan injeksi maksimum saat ini 1600 bar dan pada masa depan akan meningkat menjadi 1800 bar. Sistem common-rail menghasilkan emisi gas buang yang rendah dengan memperkenalkan peristiwa awal-injeksi atau peristiwa banyak injeksidan juga memperlemah suara pembakaran.  Peristiwa banyak injeksi sampai dengan lima per siklus injeksi dapat dibangkitkan dengan menggerakkan secara cepat katup tombol beberapa kali.  Gerakan menutup jarum nosel dilakukan secara hidrolis untuk memastikan bahwa akhir dari injeksi adalah cepat.

5.     Pengaturan dan Kontrol

a.     Konsep Operasi

Unit kontrol mesin mendeteksi posisi pedal akselerasi dan status operasi mesin dan kendaraan atas bantuan sensor. Data yang dikumpulkan meliputi :

 ·         Derajat sudut dan kecepatan crankshaft

 ·         Tekanan rel bahan bakar

 ·         Tekanan udara pengisian

 ·         Udara isap, suhu pendingin, dan suhu bahan bakar

 ·         Massa udara (isap)

 ·         Kecepatan kendaraan, dsb.

Unit kontrol elektronik mengevaluasi sinyal masuk. Sinkron dengan pembakaran,  unit kontrol elektronik menghitung sinyal trigger untuk katup kontrol tekanan atau unit metering, injektor, dan  aktuator lain (misalnya katup EGR, aktuator turbocharger gas buang, dsb.). Waktu switching injektor, yang seharusnya singkat,  dapat dicapai dengan  menggunakan katup switching tekanan tinggi dan sebuah sistem kontrol spesial.

Sistem derajat sudut/waktu membandingkan waktu injeksi, berdasarkan data dari sensor crankshaft dan camshaft,  dengan keadaan mesin  (kontrol waktu). Kontrol elektronik diesel  (EDC)  membolehkan metering yang presisi dari kuantitas bahan bakar yang diinjeksikan.

b.     Fungsi Dasar

Fungsi dasar melibatkan kontrol presisi waktu injeksi bahan-bakar Diesel dan kuantitas bahan bakar pada tekanan referensi. Dengan cara ini, mereka memastikan bahwa mesin Diesel mempunyai karakteristik konsumsi bahan bakar yang rendah dan putaran mesin yang halus.

c.     Fungsi Koreksi

Sejumlah fungsi koreksi mampu untuk mengkompensasi toleransi antara sistem injeksi bahan-bakar dan mesin, yaitu :

 ·         Kompensasi aliran injektor

 ·         Kalibrasi tanpa aliran

 ·         Kontrol keseimbangan bahan bakar

 ·         Adaptasi aliran rata-rata.

d.     Fungsi Tambahan

Penambahan fungsi kontrol open-and closed-loop memiliki tugas mereduksi emisi gas buang dan konsumsi bahan bakar atau meningkatkan keselamatan dan kenyamanan.  Beberapa contoh adalah :

 ·         Kontrol dari resirkulasi gas buang

 ·         Kontrol tekanan naik

 ·         Kontrol penjelajahan

 ·         Immobilizer elektronik, dsb.

Mengintegrasikan EDC pada sistem kendaraan secara keseluruhan membuka sejumlah peluang baru, misalnya pertukaran data dengan kontrol  transmisi atau sistem pengaturan suhu AC.

6.     Konfigurasi Unit Kontrol

Secara normal unit kontrol mesin maksimum mempunyai hanya delapan langkah output untuk injektor, mesin lebih dari delapan silinder dipasang dengan dua unit kontrol mesin, yang dipasangkan pada jaringan ‘master/slave’ melalui high­speed CAN interface. Maka digunakan juga microcontroller yang berkapasitas lebih tinggi. Beberapa fungsi dialokasikan secara tetap pada unit kontrol spesifik (misalnya kontrol keseimbangan bahan bakar). Yang lain dapat dialokasikan secara dinamis ke satu atau unit kontrol lainnya sesuai dengan keadaan yang dituntut (misalnya untuk mendeteksi sinyal sensor).