18:19
Yohanor Saputera
Teknologi semprot dalam sistem injeksi bahan bakar kendaraan Oleh Ainul Ghurri (Nisem 90)
Topik teknologi semprot kali ini berkaitan dengan mesin kendaraan, terutama jenis diesel. Dengan kapasitas mesin yang setara, mesin diesel sebenarnya lebih efisien dalam pembakaran dan lebih sedikit meminum bahan bakar dibanding mesin bensin. Tapi karena beberapa karakter alamiah (a.l. karena tekanan pembakaran yang tinggi menyebabkan lebih berisik dan bobot lebih berat) dan harga bahan bakar diesel yang lebih mahal, mesin diesel kurang populer untuk kendaraan penumpang.
Gambar 1 Mesin diesel dan skematik silinder mesin diesel
Gambar 2 Mesin bensin dengan busi untuk inisiasi pembakaran dalam silinder mesin
Salah satu beda pokok antara mesin diesel dan bensin adalah cara pembakaran bahan bakarnya. Pada mesin diesel (lihat Gambar 1), piston hanya mengkompresi udara, dan setelah udara terkompresi pada tekanan dan temperatur tinggi dalam silinder, bahan bakar (diesel, solar) disemprotkan untuk menghasilkan pembakaran spontan (tanpa bantuan busi). Karena yang dikompresi hanya udara, memungkinkan rasio kompresi yang tinggi (tekanan dan temperatur pembakaran yang lebih tinggi); dan menghasilkan pembakaran yang lebih efisien. Pada mesin bensin (lihat Gambar 2), udara dan bahan bakar dicampur lebih dulu di saluran masuk, kemudian dideliveri ke silinder/ruang bakar kemudian diledakkan dengan bantuan spark plug (busi). Jadi, piston mengkompresi campuran udara dan bahan bakar sehingga tidak memungkinkan rasio kompresi yang tinggi karena bisa mengakibatkan campuran bahan bakar dan udara akan terbakar sebelum waktu yang diinginkan. Dengan perbedaan tersebut, istilah 'injeksi langsung' (direct injection) memang lebih relevan untuk mesin diesel. Pada kendaraan bensin berteknologi injeksi (electric fuel injection-EFI, port fuel injection-PFI), injeksi bahan bakar dilakukan di saluran masuk udara-bahan bakar menuju silinder.
Aplikasi teknologi semprot dalam sistem injeksi bahan bakar kendaraan meliputi dan saling terkait dengan injektor bahan bakar, pompa sistem suplai bahan bakar, dan desain ruang bakar (silinder mesin). Dalam Gambar 1 juga ditunjukkan bahan bakar yang disemprotkan ke ruang bakar yang berisi udara yang sudah terkompresi (tekanan dan temperatur tinggi).
Gambar 3 menunjukkan contoh foto pertumbuhan semprotan bahan bakar (single spray) dalam selang waktu 1.3 milisekon sejak disemprotkan dari ujung injektor. Sedangkan Gambar 4 adalah foto semprotan bahan bakar dalam situasi yang mendekati sebenarnya dalam silinder mesin, (a) tanpa pembakaran, (b) dengan pembakaran. Tipe injektor dan jenis bahan bakar yang berbeda, akan menghasilkan pertumbuhan yang berbeda pula.
Gambar 3 Pertumbuhan semprotan bahan bakar
Gambar 4 Semprotan bahan bakar multi-hole dalam silinder (a) tanpa pembakaran; (b) dengan pembakaran
Karakter pembakaran mesin diesel adalah semakin cepat terbakar (sejak diinjeksikan/disemprotkan) semakin baik [beda dengan mesin bensin yang "jangan dulu meledak spontan" atau "jangan terbakar dulu sebelum busi menyala"]. Jadi, untuk mesin diesel, semakin singkat jarak waktu antara bahan bakar disemprotkan dan terjadinya pembakaran spontan, akan semakin baik. Pada kendaraan penumpang bermesin diesel modern (common-rail injection system), bahan bakar hanya punya waktu sekitar 0.3~0.8 milisekon untuk eksis dalam silinder mesin sejak disemprotkan, dan setelah itu akan terbakar spontan. Sebagai perbandingan, untuk melakukan 1 kali kedipan mata diperlukan waktu antara 300~400 milisekon. Hal ini memungkinkan mengingat tekanan injeksi bahan bakar bisa mencapai 2500 bar (atau mungkin sudah dikembangkan yang lebih tinggi lagi). Karakterisasi dan pengontrolan terhadap dimensi semprotan selama 1 ms pertama sejak penyemprotan, seperti Gambar 3 merupakan hal yang sangat penting dan menjadi fokus pengembangan untuk menghasilkan pembakaran yang lebih efisien. Sungguh luar biasa, dari peristiwa selama 1 ms saja, akan bisa menghasilkan beratus atau beribu lembar laporan dan terlebih aplikasi yang berdampak sangat luas dalam kehidupan manusia. Pemain utama dalam teknologi ini antara lain Denso (Jepang), Delphi (USA) dan Bosch (Jerman).
Saat ini telah bermunculan kendaraan dengan label gasoline direct injection. Kendaraan tipe ini adalah mesin bensin dan tetap menggunakan busi, namun bahan bakar diinjeksi langsung ke dalam silinder tanpa dicampur dengan udara lebih dulu (Gambar 5). Jumlah bahan bakar dikontrol benar-benar hanya sesuai keperluan, sehingga mampu menghemat bahan bakar secara signifikan. Pengontrolan jumlah semprotan bahan bakar didasarkan pada putaran mesin, beban, dsb tidak lagi dilakukan secara mekanis melainkan oleh 'komputer' yang bernama electronic control unit. Ini merupakan tipe mesin yang sebenarnya sudah dikembangkan tahun 1970an, tapi saat itu belum dikomersialkan.
Gambar 5 Injeksi langsung pada mesin bensin
Penulis adalah alumni Teknik Mesin UB angkatan 1990, aktif di Majalah SOLID 1991-1994.
