SISTEM BAHAN BAKAR DIESEL COMMON RAIL A. URAIAN 1. PENGERTIAN DAN FUNGSI Common Rail adalah jenis sistem bahan bakar modern yang penyaluran bahan bakarnya menggunakan pipa rel (rail) dan pengaturan timing injeksi bahan bakar serta jumlah bahan bakar yang diinjeksikan menggunakan sistem elektrik terpadu.Sistem bahan bakar common rail biasa disebut dengan CRFIS (Common Rail Fuel Injection System) atau CRICS (Common Rail Injection Control System).
Fungsi common rail adalah :
Menyediakan bahan bakar terhadap engine Membangkitkan tekanan tinggi bahan bakar yang diperlukan serta
mendistribusikannya ke masing-masing silinder Menginjeksikan bahan bakar dengan jumlah dan waktu injeksi yang tepat / presisi
2. KOMPONEN-KOMPONEN SISTEM COMMON RAIL Komponen-komponen utama dari sistem common rail adalah : o Pre-supply pump
o Injectors
o High-pressure pump
o ECU with sensors
o High-pressure
o Pressure-limitter valve
accumulator
(rail)
o Flow limiter
o Pressure-control valve o Rail-pressure sensor a. Pre Supply Pump (Pompa pengalir) Fungsi : 1) Menyalurkan bahan bakar dari tangki ke pompa tekanan tinggi Letaknya berada didalam tangki bahan bakar
Pre Suply Pump ada dua jenis, yaitu : 1. Tipe mekanik o Menggunakan putaran engine umtuk memutar drive gear o Pengiriman jumlah bahan bakar proporsional sesuai putaran engine o Terdapat shut off elektromagnetis untuk menutup saluran
Suctio n
2. Tipe elektrik
Discharg e
Elecric motor Terdiri dari
:
Nonreturn valve
o Roller cell pump Roller cell digerakkan oleh elecrik motor o Electric motor o Non-return valve b. High Pressure Pump
Inlet valve
Cara kerja
:
o Ketika plunyer bergerak ke bawah, katup inlet terbuka sehingga bahan bakar masuk ke ruangan pompa.
o Pada posisi titik mati bawah dan plunyer mulai bergerak naik, katup tertutup karena katup ini jenis katup satu arah, dan bahan bakar terkompresi akibat plunyer yang bergerak naik, sehingga bahan bakar terdorong keluar. o Terdapat electromagnetic switch off yang berfungsi untuk menghentikan aliran bahan bakar saat engine stop.
c. High-Pressure Accumulator (Pipa Rel)
Fungsi
:
o Menyimpan bahan bakar o Mencegah terjadinya fluktuasi tekanan bahan bakar Kontruksi
:
o Rail dibuat dari pipa baja tempa o Diameter dalam kira-kira 10 mm o Panjang rail antara 280-600 mm o Volume bias dibuat sekecil mungkin dan sebesar yang diperlukan
d. Pressure Control Valve Fungsi
:
o Menjaga tekanan didalam pipa rail agar selalu pada keadaan konstan
Pada Pressure Control Valve dalam kerjanya dilengkapi dengan sebuah sensor tekanan rail (Rail-Pressure Sensor) yang fungsinya adalah : o Memeriksa/mengukur tekanan di dalam pipa rel o Memberikan data input yang selanjutnya dikirimkan ke ECU (Control system)
Data dari ECU nanti yang akan menentukan kerja dari Pressure Control Valve sebagai pengatur/penjaga tekanan didalam pipa rel. Pembagian Tekanan pada Common Rail tiap-tiap generasi : 1) Generasi Pertama (I) (1997) Tekanan injeksi
: 1,350 bar
Aplikasi
: Kendaraan penumpang
Digunakan kali pertama
: Alfa Romeo dan Mercedez Benz
2) Generasi
Kedua
(II)
Tekanan injeksi
: 1,400 bar
Aplikasi
: Truck
Digunakan kali pertama
: Renault (RVI).
(1999)
3) Generasi Kedua (II) (2001) Tekanan injeksi
: 1,600 bar
Aplikasi
: Kendaraan penumpang
Digunakan kali pertama
: Volvo and BMW
4) Generasi Kedua (II) (2002) Tekanan injeksi
: 1,600 bar
Aplikasi
: Truck
Digunakan kali pertama
: MAN
5) Generasi Ketiga (III) (2003) Tekanan injeksi
: 1,600 bar
Aplikasi
: Kendaraan penumpang
Digunakan kali pertama
: Audi
e. Injector Fungsi
:
o Untuk menginjeksikan bahan bakar dengan jumlah yang tepat kedalam ruang bakar pada waktu (timing injection) yang tepat.
Pada injector terdapat beberapa komponen utama, yaitu : o 2/2 electromagnetic servo valve o Nozzle o Valve control chamber o Return line Gaya-gaya yang diperlukan untuk perbaikan fungsi dari injector adalah : o Gaya pegas nozzle o Gaya pegas katup o Gaya elektromagnet
o Gaya yang diperlukan untuk menghasilkan tekanan pada valve control chamber o Gaya yang diperlukan untuk menghasilkan tekanan pada jarum nozzle Contoh penampang injektor dan bagian-bagiannya :
f. ECU (Electronic Control Unit) dan Sensor
Common rail adalah system injeksi yang dikontrol oleh EDC (Electronic Driver Control)
ECU mengontrol dan memonitor system injeksi secara menyeluruh
Sensor berfungsi untuk membaca data yang terukur didalam proses yang nantinya akan dikirim ke ECU dengan akurasi yang tepat dan secepat mungkin
Rail-Pressure Sensor
Cara kerja Rail-Pressure Sensor adalah : o Ketika bahan bakar memasuki pipa rail dan melewati Rail-Pressure Sensor, tekanan tersebut akan menekan diafragma sensor sebesar tekanan yang ada. o Elemen sensor (semikonduktor device) akan merubah pembacaan dari diafragma sensor tadi menjadi sinyal elektrik yang selanjutnya dikirimkan ke ECU untuk diproses. o Perubahan tekanan untuk pergerakan diafragma sebesar 1 mm kirakira adalah 1500 bar. o Pada skala pengukuran utama, akurasi pengukurannya kira-kira adalah 2% dari skala penuh. Sensor-sensor lain yang diperlukan adalah :
o Crankshaft-speed sensor
o Coolant-temperature sensor
o Camshaft sensor o Accelerator-pedal traveler sensor
o Air temperature sensor o
Air – mass meter
o Boost – pressure sensor g. Pressure-Limitter Valve (komponen tambahan)
Fungsi dan cara kerja : o Untuk membatasi tekanan yang ada dalam pipa rel agar tidak berlebihan .
o Cara kerjanya adalah sama dengan cara kerja dari overpressure valve, yaitu Pressure limiter valve dipasang pada ujung pipa rel dan dihubungkan dengan saluran pengembali bahan bakar. o Apabila terdapat tekanan yang berlebih pada pipa rel, Pressure limiter valve akan membatasi tekanan dengan cara membuka saluran pengembali bahan bakar. o Tekanan yang dijinkan dari Pressure limiter valve adalah maksimum sekitar 1500 (untuk kendaraan baru dapat mencapai 1800 bar).
h. Flow Limiter (komponen tambahan) Fungsi
:
o Untuk mencegah terjadinya injeksi yang berlanjut ketika terjadi ganguan salah satu injector membuka terus. o Cara kerjanya adalah Flow limiter akan
menutup saluran ke
injector segera setelah bahan bakar keluar dari pipa rel apabila terjadi ganguan tersebut. 3. CARA KERJA Pada dasarnya, pembagian kerja common rail dibagi tiga skema, yaitu :
Su b fun ctions of a CR F I system C O M M O N R A IL F U E L IN J E C T IO N S Y S T E M L o w p re s s u re c irc u it H ig h p re s s u re c irc u it
E C U w ith s e n s o r s
a. Low-Pressure Circuit Low-pressure circuit bertujuan untuk mengalirkan bahan bakar menuju High-pressure circuit. Aliran bahan bakar pada low-pressure circuit adalah : Fuel tank
Pre-supply pump
Saluran pengembali bahan bakar
Fuel filter
o Bahan bakar dialirkan dari tangki bahan bakar oleh pre-supply pump menuju ke pompa tekanan tinggi melewati saringan bahan bakar. b. High-Pressure Circuit High-pressure circuit berfungsi untuk membangkitkan tekanan tinggi yang konstan didalam pipa rel (Rail), dan juga untuk menginjeksikan bahan bakar ke ruang bakar melewati injector. Aliran bahan bakarnya pada high-pressure circuit adalah : High – pressure pump Injector s
Pressure-control valve Saluran tekanan tinggi
Rail (pipa rel) Rail – pressure sensor
o Bahan bakar dari sirkuit tekanan rendah masuk ke pompa tekanan tinggi. o Didalam
pompa
tekanan
tinggi
ini,
tekanan
bahan
bakar
dibangkitkan/dinaikkan menjadi tekanan tinggi. o Bahan bakar bertekanan tinggi tadi akan melewati pressure control valve yang berfungsi untuk mengontrol/mengatur tekanan bahan bakar sesuai dengan kondisi yang ada (berdasarkan ECU). o Selanjutnya, bahan bakar bertekanan tinggi masuk ke pipa rel (High accumulator rail). Tekanan dalam pipa rel bisa mencapai maksimal 1350 atau 1500 bar (untuk kendaraan baru bisa mencapai 1800 bar). o Pada pipa rel dilengkapi dengan rail-pressure sensor untuk mendeteksi tekanan yang ada didalam pipa rel tersebut dan kemudian dikirimkan ke ECU dalam bentuk sinyal elektrik (impuls). o Diujung pipa rel juga terdapat Pressure-limitter valve (katup pembatas tekanan). Apabila tekanan didalam pipa rel berlebihan, tekanan bahan bakar tadi mampu membuka katup yang berhubungan dengan saluran pengembali, sehingga bahan bakar akan mengalir ke saluran pengembali bahan bakar. o Tekanan yang didijinkan oleh Pressure-limitter valve didalam pipa rel adalah maksimal 1350, 1500 atau 1800 bar tergantung jenis kendaraan.
o Bahan bakar bertekanan tinggi selanjutnya mengalir ke injektor untuk diinjeksikan kedalam ruang bakar. Penginjeksian bahan bakar pada injektor tergantung ECU sesuai urutan saat penyemprotan. o Pada injektor juga terdapat saluran pengembali bahan bakar untuk mengembalikan sisa bahan bakar yang tidak diinjeksikan. c. ECU dan Sensor-Sensor
Common rail adalah system injeksi yang dikontrol oleh EDC (Electronic Driver Control)
ECU mengontrol dan memonitor sistem injeksi secara menyeluruh
Sensor berfungsi untuk membaca data yang terukur didalam proses yang nantinya akan dikirim ke ECU dengan akurasi yang tepat dan secepat mungkin. Railpressure sensor
ECU dan EDC Seperti yang diketahui diatas, sensor-sensor yang digunakan pada sistem common rail diantaranya : o Crankshaft-speed sensor
o Camshaft sensor
o Accelerator-pedal
o Coolant-temperature
traveler sensor o Boost – pressure sensor
sensor o Air temperature sensor o
Air – mass meter
a. Crankshaft-speed sensor Berfungsi untuk mendeteksi seberapa kecepatan yang dihasilkan dari poros engkol. b. Camshaft sensor Berfungsi untuk mendeteksi posisi dari camshaft. c. Accelerator-pedal traveler sensor Berfungsi untuk mendeteksi seberapa sudut yang dihasilkan dari penekanan pedal gas (pedal akselerasi). d. Boost – pressure sensor Berfungsi untuk mendeteksi tekanan udara dalm intake manifold. e. Coolant-temperature sensor Berfungsi untuk mendeteksi seberapa suhu/temperature dari air pendingin untuk menegetahui suhu engine. f. Air temperature sensor Berfungsi untuk mendeteksi suhu/temperature dari udara masuk. g. Air – mass meter
Berfungsi untuk mendeteksi massa udara yang masuk. Berdasarkan data-data dari sensor-sensor tersebut, ECU kemudian menghitung dan mengolah data-data seperti banyaknya bahan bakar yang telah diinjeksikan, awal waktu injeksi, waktu/durasi injeksi, dan sebagainya, sehingga akan menghasilkan komposisi sistem injeksi yang sangat akurat. Contoh dari sistem control elektronik :
Caterpillar Common Rail Control Device Caterpillar Common Rail Technologi
Contoh perhitungan sensor pada poros engkol :
Contoh mikrokontroler yang digunakan pada ECU :
Contoh bentuk-bentuk sinyal elektronik (impuls)
4. TEKNOLOGI COMMON RAIL PADA KENDARAAN AUDI 4.2 I V8 TDI
Teknologi common rail yang diterapkan pada kendaraan AUDI 4.2 I V8 TDI adalah sistem common rail generasi yang diterapkan pada kendaraan penumpang. Penerapan sistem generasi ketiga ini pada AUDI dimulai pada tahun 2003 yaitu pertama kalinya sistem jenis ketiga digunakan. Spesifikasi kendaraan :
Engine code
: BVN
Type of engine
: V8 diesel engine 90° vee angle
Displacement in cm3
: 4134
Max. power output in kW (bhp)
: 240 (326)
Max. torque in Nm
: 650 at 1600 to 3500 RPM
Bore in mm
: 83
Stroke in mm
: 95.5
Compression ratio
: 16,4 : 1
Cylinder spacing in mm
: 90
Firing order
: 1–5–4–8–6–3–7–2
Engine weight in kg
: 255
Engine management
: Bosch EDC-16CP+ common rail
injection system up to 1600 bar with 8-port piezoelectric injectors
Exhaust gas recirculation system
: Water-cooled EGR
Exhaust emission control
: Two oxidising catalytic converters,
Two maintenance-free diesel particulate filters
Exhaust emission standard
: EU IV
5 4
6
8
3
7 9 10
2 High-pressure 200-1600 bar 1 injector 10 -11 bar Return pressure from Supply pressure max. 1.8 bar Return pressure max. 1.8 bar Keterangan : 1. Fuel tank module with suction jet pump, non-return valve and prefilter fuel pump (pre-supply pump) 2. Fuel filter with water separator 3. High-pressure pump 4. Fuel temperature sender 5. Rail element, cylinder bank I 6. Rail element, cylinder bank II 7. Injectors 8. Retention valve
9. Temperature-dependent switchover 10. Fuel cooler (air) on vehicle underbody a. Tangki bahan bakar menggunakan double tangki yang dilengkapi dengan pre- supply pump
Pre-supply pump mengalirkan bahan bakar ke pompa tekanan tinggi dengan tekanan 0,8-1,8 bar. b. High-pressure pump unit
Unit : 1. High-pressure pump 2. Fuel metering valve (fuel metering unit fuel metering unit) 3. Mechanical fuel pump 4.5-6.2 bar 3 2 1 High pressure pump berfungsi untuk membangkitkan tekanan tinggi dari supply tekanan rendah sampai pada injektor. Awalnya, pompa mekanik (mechanical fuel pump) mengalirkan bahan bakar ke sisi pompa tekanan tinggi dengan tekanan antara 4,5 – 6,2 bar. Pompa tekanan tinggi menggunakan tiga piston yang terletak di dalam inner chamber dan digerakkan oleh puli intake camshaft yang
tersambung dengan sabuk bergigi, mengalirkan bahan bakar ke pipa rel hingga ke injektor dengan tekanan tinggi (maksimal 1600 bar). c. Fuel pressure regulating valve (katup pengatur tekanan bahan bakar) Pada pipa rel dilengkapi dengan katup pengatur tekanan bahan bakar yang berfungsi untuk mengatur/mengontrol tekanan tinggi didalam pipa rel yang kerjanya tergantung dari output sinyal elektrik dari ECU. Tekanan yang dijinkan didalam pipa rel adalah maksimal 1600 bar. Iron plate Armatur e Valve seat ball
Compression spring d. Rail (Pipa rel)
Rail 1 Injekto r
Rail 2
Pipa rel yang digunakan adalah dua buah pipa rel yang masing-masing melayani empat injektor (Rail 1 untuk injektor 1-4 dan rail 2 untuk injektor 5-8). Pipa rel berfungsi untuk menampung bahan bakar dengan tekanan tinggi yang konstan sebelum dialirkan ke injektor. Tekanan maksimal yang diijinkan adalah 1600 bar, dengan saluran kembali bahan bakar yang mengurangi tekanan bahan bakar apabila terjadi tekanan berlebih.
High pressure line Cap nut Restrict or Rai l
e. Injektor Injektor yang digunakan pada sistem common rail yang diterapkan pada AUDI adalah tipe piezoelectric injector model multi hole (7-8 hole).
Keunggulan injektor jenis ini adalah :
Membutuhkan waktu yang sangat singkat untuk mengawali tiap siklus kerja injeksi.
Mampu menerima tekanan yang sangat tinggi dari tekanan bahan bakar.
Langkah siklus sangat presisi (memiliki akurasi yang sangat tinggi). Piezoelectric injector membutuhkan tegangan pembangkit sebesar 110-148
V melalui sebuah kapasitor yang ada pada control unit. 5. KESIMPULAN a. Sistem injeksi common rail adalah sistem injeksi bahan bakar diesel modern yang penyaluran bahan bakarnya menggunakan pipa rel (rail) dan pengaturan timing injeksi bahan bakar serta jumlah bahan bakar yang diinjeksikan menggunakan sistem elektrik terpadu. b. Fungsi common rail adalah :
Menyediakan bahan bakar terhadap engine Membangkitkan tekanan tinggi bahan bakar yang diperlukan serta
mendistribusikannya ke masing-masing silinder Menginjeksikan bahan bakar dengan jumlah dan waktu injeksi yang tepat / presisi
c. Komponen utama dari sistem common rail adalah :
Pre-supply pump
Pressure-control valve
High-pressure pump
Rail-pressure sensor
High-pressure
Injectors
accumulator (rail)
ECU with sensor
d. Cara kerja sistem common rail pada dasarnya dibagi tiga skema, yaitu :
Low-pressure sirkuit yang bertujuan untuk mengalirkan bahan bakar dari tangki ke high-pressure sirkuit.
High-pressure sirkuit yang bertujuan untuk membangkitkan tekanan tinggi yang konstan didalam pipa rel (Rail), dan juga untuk menginjeksikan bahan bakar ke ruang bakar melewati injector.
Tekanan yang dibangkitkan maksimal yang diperbolehkan adalah 1350 atau 1500 atau bahkan 1800 bar.
ECU dan Sensor untuk mengontrol dan memonitor kerja sistem injeksi secara keseluruhan.
e. Tekanan bahan bakar didalam pipa rel sangat tinggi dan dijaga agar selalu konstan dengan sebuah katup pengatur tekanan yang terintegrasi dengan control unit (ECU). f. Kendaraan AUDI 4.2 L V8 TDI menggunakan sistem injeksi common rail generasi ketiga yang dipakai pada kendaraan penumpang. g. Sistem injeksi common rail AUDI 4.2 L V8 TDI ini menggunakan : Tekanan sistem injeksi mencapai 1600 bar. Injektor yang digunakan adalah jenis piezoelectric injector multi hole dengan lubang 8 port, dan memiliki keunggulan : o Membutuhkan waktu yang sangat singkat untuk mengawali tiap siklus kerja injeksi. o Mampu menerima tekanan yang sangat tinggi dari tekanan bahan bakar. o Langkah siklus sangat presisi (memiliki akurasi yang sangat tinggi).
