KOMPONEN-KOMPONEN TURBOCHARGER

Turbocharger adalah komponen yang berputar dengan bebas (free-spinning) dan sering berputar lebih cepat dari 80.000 rpm. Pada rpm puncak, kecepatan pada permukaan bearing journal dapat lebih besar dari 30 meter (100 kaki) per detik, dan energi yang tersimpan di dalam komponen-komponen yang berputar dapat menyamai horsepower engine. Kondisi ini menuntut keseimbangan yang mendekati sempurna dan kesejajaran dari semua bagian yang bergerak, sebagaimana pengoperasian yang tepat dan pemeliharaan lingkungan. Walaupun masalah-masalah pada turbo dapat menyebabkan kegagalan, biasanya masalah sederhana dari lingkungan kerja, seperti udara masuk yang terhambat, menyebabkan lebih banyak kegagalan.

Gambar 1

Turbocharger ditemukan oleh orang Swiss bernama Buchi di tahun 1906 dan telah dilihat dari waktu ke waktu dalam bermacam versi. Hanya dalam tiga dekade terakhir ini turbocharger telah dikembangkan menjadi semacam tingkat tahan uji dan performa yang sekarang dipasangkan untuk terus menerus meningkatkan persentase engine internal combustion baru.

Bagian-bagian

Gambar 2

Turbocharger terdiri atas tiga bagian, rotor assembly, turbine housing (digerakkan oleh exhaust) dan compressor housing (sisi intake), sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2. Rotor assembly mengandung dua plain bearing, piston-ring-tipe seal, retainer, thrust bearing dan turbine dan compressor wheel. Juga terdapat jalur untuk suplai dan pembuangan oli ke dan dari housing.

Bagian Melintang

Gambar 3

Struktur turbocharger adalah sebagai berikut:

  • Turbine (exhaust) dan compressor (inlet) wheel terpasang pada shaft
  • Shaft disangga oleh journal bearing dan thrust bearing
  • Heat shield menahan panas dari center housing
  • Oli engine memberikan pendinginan sebagaimana juga pelumasan.

Saat terangkai, compressor wheel, center shaft, dan turbine wheel menjadi satu kesatuan utuh yang berputar di journal bearing free-floating. Sebuah thrust bearing yang diam terletak di dekat compressor wheel mengatur end play. Turbocharger yang lebih besar mempunyai dua journal bearing yang terpisah, sementara beberapa unit yang lebih kecil memepunyai bearing cardtridge tunggal. Thrust washer diposisikan di tiap sisi thrust bearing dengan spacer di tengah. Saat compressor wheel terpasang, retaining nut menekan wheel, thrust washer dan spacer melawan shoulder di center shaft, menyebabkan semua komponen menjadi sebuah rangkaian berputar. Semua bearing berputar di atas bantalan oli selama operasi.

Turbine back plate, atau heat shield, dan air space di belakangnya berfungsi sebagai penyekat untuk mencegah suhu panas exhaust memasuki center housing. Oli pelumas membuang panas yang merambat ke center shaft dari turbine wheel dan bearing. Walaupun suhu pada turbine wheel bisa setinggi 760OC (1400OF), suhu normal di journal bearing di bawah 150OC (300OF) karena efek pendinginan dari oli pelumas.

Part yang berputar harus diseimbangkan dengan sangat hati-hati. Hal ini berarti bahwa keseimbangan komponen yang diperlukan harus tepat. Keseimbangan komponen adalah keseimbangan tiap individu part terhadap garis tengah. Rangkaian komponen berhubungan dengan ketegaklurusan dan kesejajaran dari komponen terangkai. Ketegaklurusan menunjukkan kesiku-sikuan permukaan relatif terhadap lubang (bore), sementara kesejajaran menunjukkan penjajaran (alignment) pemukaan ujung komponen. Jika kedua aspek ini tidak benar, saat nut compressor wheel dikencangkan, beban renggang (tensile) di tengah shaft tidak akan aksial, dapat membengkokkan shaft dan menghasilkan ketidakseimbangan yang serius. Kesimbangan komponen individu dan rangkaian komponen harus diatur dengan sangat hati-hati. Selama rekondisi dan perbaikan di lapangan fakta-fakta ini harus diingat dan kehati-hatian dilakukan saat menangani dan merangkai bagian yang berputar.

Pengelasan dan Pengerasan

Gambar 4

Centershaft dan Turbine Wheel

Bagian-bagian turbo dibuat untuk tahan terhadap panas dan beban yang diberikan selama operasi. Shaft dan turbine wheel dapat disatukan bersama secara inertial (spin) weld dan electron beam weld.

Center shaft dan turbine wheel dibuat terpisah dan kemudian disatukan bersama dengan salah satu dari dua proses: friction atau electron beam weld. Center shaft dan turbine wheel yang ditunjukkan di Gambar 4 disatukan dengan inertial weld kemudian dikeraskan dan diseimbangkan. Center shaft dibuat dari baja berkekuatan tinggi yang sangat magnetik. Setelah disatukan dengan inertial weld ke hot wheel, shaft dikeraskan secara induksi, shaft ini tidak dirancang untuk tahan panas dan tidak boleh terpapar ke suhu tinggi dimana bearing terpasang, untuk mencapai kekerasan sekitar Rockwell C-55.

Turbine wheel terbuat dari logam tuang campuran nikel yang mengandung lebih dari 10% krom dan kurang dari 1% besi tuang. Logam ini pada dasarnya nonmagnetik dan dapat tahan terhadap suhu tinggi tanpa mengalami penurunan kualitas.

Compressor Wheel

Compressor wheel dibuat dari logam campuran aluminium yang bermutu dan berkekuatan tinggi. Perlakuan khusus diberikan dalam memproses logam campuran ini untuk menghindari pengelupasan dan masuknya material asing yang dapat melemahkannya dan menyebabkan keretakan. Logam ini tidak dirancang untuk tahan terhadap panas dan tidak boleh terpapar suhu tinggi.

Gambar 5

Rancangan dari blade compressor wheel dapat berupa straight atau back curved. Cara termudah untuk melihat perbedaannya adalah dengan membandingkan keduanya (Gambar 5). Perhatikan bahwa kemiringan blade dari wheel yang di bawah lebih besar dibandingkan dengan wheel yang di atas. Rancangan wheel di bawah adalah back curve. Saat rpm meningkat, gaya sentrifugal mencoba untuk meluruskan blade. Jadi, seiring dengan naik atau turunnya rpm, beban tekuk yang terjadi karena adanya putaran (cylic bending load) ditempatkan pada blade, dan beban yang terjadi karena adanya putaran (cyclic load) dari gaya sentrifugal lebih besar dibandingkan dengan cyclic load dari udara yang bertekanan. Adalah cyclic load yang menyebabkan patahan akibat kelemahan pada logam (fatigue fracture). Blade dirancang untuk tahan terhadap cyclic bending load yang besar sebagaimana juga dengan pembebanan yang lebih ringan akibat udara yang bertekanan.

Lubang pada center shaft dibor menggunakan mesin khusus yang memperhitungkan lokasi lubang dengan tepat untuk keseimbangan wheel yang paling memungkinkan. Terkadang sebagian material wheel dibuang, di dekat lubang yang dibor, demi keseimbangan yang lebih tepat.

Journal Bearing

Gambar 6

Journal bearing yang mengambang secara bebas (free-floating) (Gambar 6) dapat dibuat dari logam campuran/tembaga/timah atau dari aluminium, tergantung dari rancangan turbonya. Pada turbocharger lama, banyak bearing yang dibuat dari timah secara keseluruhan, sementara pada rancangan bearing yang lebih baru memiliki kandungan timah yang lebih rendah. Timah bertindak sebagai pelumas selama periode pelumasan yang sebentar (seperti saat startup).

Beberapa bearing memiliki lapisan timah tipis pada permukaan logam campuran/tembaga/timah-nya untuk meningkatkan pelumasan saat startup.

Diameter luar dan dalam dari bearing dibuat secara teliti untuk memastikan clearance dan ketebalan lapisan oli yang tepat. Beberapa bearing memiliki lubang-lubang oli yang ditiruskan (chamfered) untuk menghilangkan ketidakteraturan akibat pengeboran dan memberikan aliran oli yang bebas saat bearing berputar. Beberapa bearing lain memiliki alur oli pada sisi-sisinya.

Retaining Ring

Gambar 7

Retaining snap ring journal bearing (Gambar 7) di-stamp dari baja dengan tingkat kekuatan dan daya renggang tinggi. Proses stamp menyebabkan satu sisi bertepi bundar dan satu sisi bertepi tajam. Bagian yang halus dan bertepi bulat harus selalu terpasang mengarah ke bearing untuk meminimalkan pengikisan akibat persentuhan.

Thrust Bearing

Gambar 8

Thrust bearing (Gambar 8) dibuat dari tembaga/timah dan logam campuran aluminium berkekuatan tinggi. Beberapa bearing berlapis timah tipis untuk meningkatkan pelumasan saat start-up. Thrust bearing tidak bergerak sementara thrust washer yang bersebelahan dengannya berputar dengan rpm shaft penuh. Karena ini, thrust bearing menyerap lebih banyak energi dibandingkan bearing turbo yang lain dan oleh karenanya lebih sensitif terhadap pelumasan yang sekilas, material asing, dan pembebanan akhir yang abnormal.

Beberapa thrust bearing memiliki jalur oli yang dibor, sebagaimana pada Gambar 8, untuk memberikan pelumasan langsung ke permukaan kontak thrust.

Seal Ring

Gambar 9

Seal ring pada sisi panas (Gambar 9) dibuat dari logam campuran besi ber-krom tinggi dan dirancang untuk menahan suhu tinggi. Seal ring pada sisi dingin dibuat dari besi tuang dan tidak boleh terpapar dengan suhu tinggi. Keduanya dibuat dengan teliti untuk memastikan kebundaran, kehalusan permukaan, dan daya pegas yang memadai. Aspek-aspek ini menahan seal ring dari berputar di dalam bore dan dari kebocoran. Saat seal ring terpasang, celah pada ujungnya harus sekitar 0,250 mm (0,010”) (mengacu pada service manual untuk spesifikasi yang tepat).

Housing

Gambar 10

Turbocharger housing (Gambar 10) terdiri atas compressor housing, center housing, dan turbine housing.

Compressor housing dibuat dari logam campuran tuang aluminium. Ketegaklurusan dan kesejajaran bore diatur dengan teliti untuk memastikan clearance compressor wheel yang seragam (biasanya kurang dari 0,250 mm (0,010. Housing ini dirancang untuk tahan terhadap gaya separasi berkecepatan tinggi dari compressor wheel.

Center housing dibuat dari besi tuang dan normalnya tidak ditujukan untuk suhu tinggi atau beban tinggi. Ketegaklurusan dan kesejajaran bore diatur dengan teliti, sebagaimana diameter dalam dan permukaan dimana journal bushingnya masuk. Turbine housing dibuat dari besi atau besi logam campuran nikel. Housing ini harus menahan beban dari tiap attachment pada suhu hingga 760OC (1.400OC) tanpa berubah ukuran atau bentuk secara permanent (creeping). Housing dibentuk secara teliti untuk memastikan kesejajaran dan ketegaklurusan bore dan menjaga clearance turbine wheel yang seragam.

Backing Plate

Gambar 11

Turbine backing plate (Gambar 11), atau heat shield, atau shroud, bertindak sebagai penyekat untuk melindungi center housing dari suhu exhaust yang tinggi. Shield ini terbuat dari besi dan menghasilkan penyekatan dengan menciptakan jarak udara (air space) antara turbine wheel dan center housing.

Pelumasan Turbocharger

Gambar 12

Sistem pelumasan (Gambar 12) juga sangat penting untuk operasi turbocharger yang bebas masalah karena sistem ini melakukan tiga fungsi utama: melumasi, mendinginkan dan membersihkan. Gangguan suplai oli untuk hanya beberapa detik dapat menyebabkan hasil yang sangat merusak. Adalah sangat penting bahwa sejumlah oli yang cukup terus mengalir melalui turbocharger untuk memberikan pelumasan kepada sistem bearing full floating dan untuk membuang panas.

Terdapat berbagai cara dimana pelumas dapat dihambat atau hilang sebelum mencapai turbocharger. Pelumas dapat mengandung partikel abrasif besar yang dapat menutup lapisan film dan menyebabkan kerusakan terhadap part yang berputar. Tidak hanya harus ada sejumlah pelumas yang cukup, tetapi kualitasnya juga harus baik. Sebelum memeriksa sebuah turbocharger yang gagal, kumpulkan fakta dasar seputar jumlah dan kualitas sistem pelumasan seperti:

  1. Tipe dan kekentalan oli yang digunakan.
  2. Level oli di dipstick engine. (Oli di jalur masuk ke turbocharger dari sistem pelumasan engine).
  3. Evaluasi oil filter, termasuk bagian yang terbuka dan periksa elemen kertasnya.
  4. Contoh oli SOS.
  5. Komentar operator tentang tekanan pelumasan engine atau masalah lain sebelum ke kegagalannya.
Gambar 13

Pada kebanyakan aplikasi, turbocharger dilumasi oleh sistem pelumasan engine (Gambar 13). Oli bertekanan dari oil pump engine memasuki bagian atas bearing housing dan mengalir di sekitar shaft dan kemudian ke thrust bearing dan oli seal. Oli mengalir ke bagian dalam dan sekitar bagian luar bearing, yang akan mengambang sepenuhnya di oli selama operasi. Oli juga mengalir ke piston-ring-type oil seal pada masing-masing ujung shaft untuk membantu penyekatan dan pelumasan.

Thrust bearing yang terletak di ujung sisi compressor dari rangkaian yang berputar dilumasi oleh oli yang sama sebelum oli menginggalkan bearing housing dan mengalir kembali ke engine sump.

Pada engine diesel besar seperti yang digunakan di aplikasi marine dan power-generation, turbocharger mempunyai rerservoir sendiri dan tidak bergantung pada oli engine untuk pelumasan. Suplai oli yang berkelanjutan dan bersih sangat penting untuk performa turbocharger. Sistem pelumasan juga sangat penting untuk operasi turbocharger yang bebas masalah. Oli melakukan tiga fungsi penting: pelumasan, pendinginan dan pembersihan. Gangguan terhadap suplai oli, walau hanya beberapa detik, dapat menyebabkan hasil yang sangat merusak. Sangat penting bahwa jumlah oli yang mencukupi mengalir terus menerus melewati turbocharger untuk menghasilkan suspensi dan stabilisasi sistem bearing full floating dan untuk menghilangkan panas. Terdapat banyak penyebab bagi pelumas untuk ditahan atau hilang sebelum mencapai turbocharger. Pelumas dapat mengandung partikel pengikis yang besar yang menyebabkan kerusakan ke bagian-bagian yang berputar. Bukan hanya sejumlah pelumas yang mencukupi yang harus ada, tetapi kualitasnya juga harus bagus.

Wastegate

Gambar 14

Untuk mengatur boost pressure, turbocharger dilengkapi dengan bypass valve, atau wastegate, yang mengatur kecepatan turbocharger. Wastegate mengatur aliran gas exhaust ke turbine wheel dan konsekuensinya mengatur kecepatan turbine. Wastegate dapat memungkinkan gas untuk langsung ke turbine dan sebagian ke exhaust outlet. Dengan melakukan ini, kecepatan turbine dapat diatur.

Gambar 15

Wastegate (Gambar 15) utamanya terdiri atas valve dan base assembly yang didinginkan oleh coolant engine dari sebuah cooler ke turbocharger. Base assembly ini mengandung valve guide. Saat valve tertarik ke base assembly, wastegate terbuka, memungkinkan gas untuk mem-bypass turbocharger. Saat valve memanjang ke posisi normal, wastegate terbuka, mencegah exhaust gas dari mem-bypass turbocharger.

Gaya dari dua spring memanjangkan wastegate valve. Dua gaya mencoba untuk membuka valve. Satu gaya berdasarkan jumlah tekanan udara di belakang diaphragm, dan yang ke dua adalah tekanan spring.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

%d bloggers like this: