prinsip kerja turbo cukup sederhana, yakni mengkonversikan energi
panas dan tekanan gas buang hasil pembakaran motor bakar menjadi energi
mekanis putaran poros untuk digunakan lebih lanjut mengkompresi udara
yang akan masuk ke ruang bakar melalui
intake manifold.
Komponen-Komponen Turbocharger
Berdasarkan prinsip kerja tersebut,
turbocharger tersusun atas beberapa komponen utama yakni turbin, kompresor, dan sistem
shaft. Namun selain itu, sebuah sistem
turbocharger juga dilengkapi dengan berbagai komponen pendukung yang akan kita bahas secara sederhana pada kesempatan kali ini.
Turbin
Turbin adalah sebuah komponen mekanik yang berfungsi untuk
mengkonversikan energi panas fluida yang melewatinya menjadi energi
mekanis putaran poros turbin. Setiap turbin selalu melibatkan fluida
yang mengandung energi panas yang mengalir melewati sudu-sudu turbin.
Setiap sudu turbin berdesain membentuk nozzle-nozzle sehingga disaat
fluida melewatinya, fluida akan terekspansi diikuti dengan perubahan
energi panas menjadi mekanis.
Turbin Pada
Turbocharger
(
Sumber)
Fluida yang dikonversikan energi panasnya menjadi tenaga putaran poros pada sistem
turbocharger
tentu saja adalah udara gas buang dari hasil pembakaran motor bakar.
Gas buang ini masih menyimpan cadangan energi berbentuk panas dan
tekanan yang masih cukup bermanfaat.
Aliran Fluida Pada
Turbocharger
(
Sumber)
Turbin pada
turbocharger tersusun atas rotor dan
casing. Turbin ini biasa bertipe sentrifugal dengan
casing berbentuk
volute mirip seperti
casing pompa sentrifugal. Gas buang masuk melalui sisi
casing,
mengalir mengikuti bentuk “keong” dan masuk ke sudu melalui tepi rotor.
Selanjutnya gas buang mengalir mengikuti bentuk sudu turbin sekaligus
mengalami proses penyerapan energi panas dan tekanan menjadi putaran
sudu, dan berakhir ke sisi tengah rotor untuk keluar ke sisi
exhaust.
Kompresor
Kompresor pada
turbocharger, berfungsi untuk mengubah energi mekanis putaran poros
turbocharger
menjadi energi kinetik aliran udara. Kompresor berada pada satu poros
dengan turbin, sehingga pada saat gas buang mesin mulai memutar turbin,
kompresor juga akan ikut berputar dengan kecepatan putaran yang sama.
Energi mekanis yang dihasilkan turbin akan langsung digunakan sebagai
tenaga penggerak kompresor.
Kompresor Pada
Turbocharger
(
Sumber)
Kompresor
turbocharger bertipe sentrifugal dan tersusun atas dua bagian utama yakni sudu-sudu rotor dan
casing.
Pada saat impeller rotor kompresor mulai berputar dengan kecepatan
tinggi, udara atmosfer akan mulai terhisap dan masuk ke kompresor
melalui sisi inlet. Udara ini akan diakselerasi oleh impeller secara
radial menjauhi poros kompresor. Pada saat udara terakselerasi hingga ke
casing kompresor yang juga berfungsi sebagai diffuser,
kecepatan aliran udara akan turun dan tekanan statiknya akan meningkat.
Peningkatan tekanan udara ini akan diikuti dengan kenaikan temperatur
juga. Selanjutnya, udara terkompresi ini dikeluarkan untuk menuju ke
intercooler.
Center Housing & Rotating Assembly (CHRA)
Masing-masing turbin dan kompresor pada
turbocharger tersusun atas bagian rotor dan rumah
casing. Keduanya berada pada satu poros yang ditopang oleh sebuah sistem
bearing (bantalan) di tengah-tengah antara turbin dan kompresor. Untuk kebutuhan
assembly,
casing turbin dan kompresor disatukan oleh sebuah sistem bernama
Center Housing & Rotating Assembly (CHRA). Karena sistem
bearing juga terletak pada CHRA, maka sistem lubrikasi
turbocharge juga berpusat pada CHRA.
Sistem
Center Housing & Rotating Assembly
(
Sumber)
Putaran poros
turbocharger dapat mencapai 100.000 rpm. Dengan putaran secepat itu, dibutuhkan
bearing dengan kualitas baik.
Thrust bearing tradisional dari
turbocharge biasanya terbuat dari perunggu. Pada perkembangan selanjutnya
bearing modern
turbocharger adalah berupa
ball bearing dengan bahan keramik. Penggunaan
ball bearing lebih banyak dipilih karena
lifetime turbocharger menjadi lebih baik.
Sistem Pelumasan dan Pendinginan
Turbocharger
(
Sumber)
CHRA juga menjadi tempat sirkulasi sistem pelumasan oli dan pendinginan.
Turbocharge
bekerja pada temperatur yang sangat tinggi. Turbin menggunakan gas
buang motor bakar yang bertemperatur tinggi, kompresor akan menghasilkan
udara terkompresi yang juga bertemperatur tinggi. Maka untuk menunjang
keawetan
bearing maka dibutuhkan sistem pelumasan dan pendingan yang baik.
Intercooler
Udara yang mengalami kenaikan tekanan di dalam sebuah ruangan dengan
volume konstan, akan diikuti pula dengan kenaikan temperaturnya. Dalam
termodinamika, proses ini disebut dengan proses isokhorik atau
isovolumetrik. Setiap kompresor pasti diikuti dengan proses isokhorik
ini, tak terkecuali kompresor pada
turbocharger. Hal ini ditandai dengan naiknya temperatur udara terkompresi yang keluar dari kompresor
turbocharger. Atas dasar inilah dibutuhkan sebuah sistem pendingin udara bernama
intercooler sebelum udara bertekanan tersebut masuk ke
intake manifold.
Turbocharger Intercooler
(
Sumber)
Intercooler merupakan sebuah
heat exchanger yang umumnya menggunakan udara atmosfer sebagai media
cooler. Udara terkompresi masuk ke sisi
tubing
kecil yang tersusun atas plat-plat tipis aluminium mirip konstruksi
radiator. Udara atmosfer mengalir dengan bantuan kipas melewati
sela-sela
tubing dan menyerap panas udara terkompresi melalui permukaan
tubing.
Wastegates
Sebuah mesin kendaraan bermotor selalu bekerja pada rentang rpm putaran
mesin yang bervariasi. Berbagai variasi rpm tersebut tentu saja
menghasilkan jumlah gas buang yang bervariasi pula. Semakin tinggi
putaran mesin, akan semakin banyak kuantitas gas buang dan temperatur
gas buang pun juga semakin tinggi. Jika semua gas buang mesin masuk ke
turbin
turbocharger, dapat kita bayangkan putaran
turbocharger
pasti menjadi tidak terkontrol. Pada kondisi ini jika mesin kendaraan
terlalu lama pada putaran tinggi, maka hal ini dapat menyebabkan
overheating pada turbin dan kompresor bahkan hingga mencapai titik lebur komponen-komponen
turbocharger.
Bahkan pada keadaan ekstrim, kondisi ini dapat langsung merusak piston
motor bakar dengan meninggalkan lubang meleleh pada piston tersebut.
Wastegates Pada
Turbocharger
(
Sumber)
Wastegates digunakan untuk mengatasi kondisi di atas. Komponen ini berfungsi sebagai
bypass valve untuk membuang gas buang motor bakar pada kondisi tertentu untuk tidak masuk ke dalam turbin
turbocharger melainkan langsung menuju
exhaust. Pada kondisi mesin stabil,
wastegates akan menutup. Sedangkan pada saat proses akselerasi, dimana tekanan gas buang meningkat,
wastegates akan membuka sehingga putaran turbin
turbocharger tidak mengalami sentakan yang berlebihan.
Wastegates
bekerja berdasarkan pegas-pegas keong yang dapat diatur ketegangannya,
sehingga mekanik dapat mengatur ketegangannya untuk mendapatkan kinerja
terbaik dari
turbocharger.
Blow-Off Valve
Blow-off valve sejatinya adalah
pressure relief valve yang berfungsi untuk membuang udara terkompresi ke atmosfer pada saat tekanan udara keluar kompresor
turbocharger terlalu besar. Pada saat sopir sebuah mobil ber-
turbocharger mengurangi tekanan pedal akselerasi, katup
intake manifold akan menutup sehingga udara bertekanan dari
turbocharger tidak dapat masuk ke ruang bakar. Jika
turbocharger tidak dilengkapi dengan
blow-off valve, maka tekanan udara terkompresi akan terus naik, dimungkinkan akan bocor keluar, merusak bagian-bagian
intake manifold, atau bahkan dapat menyebabkan
surging/stall pada
turbocharger. Tentu saja hal ini dapat merusak berbagai komponen mesin.
Blow-off valve memiliki konstruksi yang mirip dengan
wastegates.
Pada saat mesin berakselerasi maupun beroperasi stasioner, katup ini
akan menutup. Ia akan membuka pada saat mesin mengurangi kecepatan
putarannya, sehingga tekanan udara yang berlebih cukup kuat untuk
mendorong pegas
blow-off valve ini.
Saluran Pipa
Penggunaan
turbocharger tidak dapat dipisahkan dengan saluran pipa yang menghubungkan berbagai komponen mesin. Saluran pipa
turbocharger
dapat dikelompokan menjadi dua bagian, yakni saluran panas dan saluran
dingin. Pipa saluran panas mengalirkan gas buang dari ruang bakar ke
sisi inlet turbin
turbocharger, serta membuang gas buang
keluaran turbin menuju sistem exhaust (knalpot). Sedangkan pipa saluran
dingin mengalirkan udara atmosfer masuk ke kompresor, udara bertekanan
dari outlet kompresor ke
intercooler, serta mengalirkan udara dingin bertekanan dari
intercooler ke
intake manifold
motor bakar. Dikarenakan perbedaan tipe fluida yang melewati kedua
saluran tersebut, tentu saja karakteristik material yang digunakan oleh
keduanya juga berbeda. Sisi gas buang harus menggunakan material yang
tahan terhadap temperatur, tekanan tinggi,
backpressure, dan tegangan (
stress). Sedangkan sisi udara terkompresi diguanakan material yang kuat untuk tekanan tinggi.
Saluran Pipa
Turbocharger