Post on 16-Oct-2021
Oleh :
Ir. Anak Agung Adhi Suryawan., MT NIP. 19651203 199103 1003
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS UDAYANA TAHUN 2019
KATA PENGANTAR
Puji syukur patut dipanjatkan kehadirat Ida Sang Hyang Widhi Wasa, hanya
berkenan Beliaulah, Tulisan dengan judul Teknik Pembakaran dan Penomena
Knocking dapat diselesaikan tepat pada waktunya.
Pembakaran mungkin merupakan fenomena klasik paling rumit yang baru
sedikit dapat diungkapkan secara teoritis. Mekanisme reaksi yang banyak, yang
berbeda untuk tiap jenis bahan bakar, perambatan nyala, aliran multidimensi yang
tunak atau transient, yang kompresibel dan inkompresibel, laminer atau turbulen,
viskos atau non viskos, kerugian kalor, mempengaruhi struktur nyala sekaligus
kajian teoritisnya. Analisis non-linier (weakly non-linear theory) melahirkan teori
percabangan (bifurcation theory) yakni penggunaan persamaan eksplisit pada
permukaan nyala seperti kelengkungan nyala (curvature), peregangan (stretch),
vortisitas.
Dari sudut pandangan efisiensi, mesin harus dirancang untuk rasio kompresi
setinggi mungkin. Tetapi karena adanya detonasi sebagai pembatas. Bahwa
Knocking dapat dikontrol atau bahkan dihentikan dengan cara menaikkan putaran
mesin, retarding spark, mengurangi tekanan inlet manifold dengan trottling,
membuat campuran lebih kaya atau lebih miskin, injeksi air yang akan menaikan
delay period dan menurunkan temperatur api. Perancangan yang dapat mengurangi
knock.
Tulisan ini masih perlu dilakukan penyempurnaan, terutama dari kalangan
pengajar di Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana dan
pihak-pihak berkompeten lainnya, semoga di masa-masa yang akan datang akan
lebih baik dan sempurna. Semoga tulisan ini ada manfaatnya baik di kalangan
sendiri terutama melengkapi bahan ajar di kelas , maupun pihak lain.
Kampus Bukit Jimbaran, Desember 2019
Penulis
i
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR i
Daftar Isi ii
BAB I Pendahuluan 1
BAB II Variabel Mesin Pada Perkembangan Api 11
2.1. Rasio Bahan Bakar Udara 11
2.2. Rasio Kompresi 12
2.3. Temperatur dan Tekanan Awal 14
2.4. Beban Mesin 14
2.5. Turbulensi 14
2.6. Kecepatan Mesin 15
2.7. Ukuran Mesin 16
2.8. Laju Kenaikan Tekanan 17
2.9. Pembakaran Normal dan Abnormal 18
2.9.1. Pembakaran Normal 18
2.9.2. Pembakaran tidak Normal 19
BAB III Detonasi 24
3.1. Akibat Detonasi 26
3.2. Teori Detonasi 28
3.2.1. Teori Auto Ignition 29
3.2.2. Teori Detonasi 30
3.2.3. Kimiawi dari Knock atau Detonasi 32
3.2.4. Akibat Variabel Mesin Pada Knoc atau Detonasi 33
3.3. Akibat adanya Deposit 39
BAB IV Penutup 41
Daftar Pustaka 42
ii
I. Pendahuluan
Pembakaran adalah phenomena yang amat komplek dan menjadi objek dari
subjek penelitian yang intensif bertahun-tahun, namun sampai sekarangpun belum
sepenuhnya dipahami secara mendalam dan detail. Pembakaran dapat diartikan
sebagai kombinasi kimia relatif cepat dari hydrogen dan karbon di bahan bakar
dengan oksigen di udara yang menghasilkan energi dalam bentuk panas.
Pembakaran mungkin merupakan fenomena klasik paling rumit yang baru
sedikit dapat diungkapkan secara teoritis. Mekanisme reaksi yang banyak, yang
berbeda untuk tiap jenis bahan bakar, perambatan nyala, aliran multidimensi yang
tunak atau transient, yang kompresibel dan inkompresibel, laminer atau turbulen,
viskos atau non viskos, kerugian kalor, mempengaruhi struktur nyala sekaligus
kajian teoritisnya. Analisis non-linier (weakly non-linear theory) melahirkan teori
percabangan (bifurcation theory) yakni penggunaan persamaan eksplisit pada
permukaan nyala seperti kelengkungan nyala (curvature), peregangan (stretch),
vortisitas.
Kondisi yang harus ada untuk dapat terjadi pembakaran adalah :
1. Campuran yang siap terbakar
2. Sesuatu yang menyulut pembakaran
3. Stabilisasi dan propagasi dari api dalam ruang bakar.
Pembakaran di dalam silinder dapat berlangsung apabila ketiga syarat
pembakaran terpenuhi, dimana bahan bakar yang digunakan harus dalam
bentuk gas, atau kabut gas melalui proses pengkabutan. Semakin banyak kabut gas
yang digunakan dalam pembakaran maka proses pembakarannya akan berlangsung
1
dengan semakin cepat sehingga akan semakin tinggi putaran poros engkol yang
dihasilkan.
Sistem karburasi yaitu suatu sistem yang mengubah bahan bakar cair
menjadi kabut gas dan mencampurnya dengan udara dengan perbandingan tertentu
yang dibentuk oleh karburator dan merupakan campuran eksplosif yang akan
menghasilkan pembakaran sempurna (normal), yaitu [bahan bakar : udara] = [1 :
15]. Dalam proses pembakaran mesin Spark Ignition, campuran yang dapat terbakar
diruang bakar memperoleh loncatan bunga api listrik yang ditimbulkan oleh spark
plug (busi). Busi akan menyala saat campuran bahan bakar-udara mencapai
rasio kompresi, temperatur, dan tekanan tertentu sehingga akan terjadi reaksi
pembakaran yang menghasilkan tenaga untuk mendorong torak bergerak
bolak-balik.
Terdapat 3 (tiga) teori mengenai pembakaran hidrogen tersebut yaitu :
1. Hidrokarbon terbakar bersama-sama dengan oksigen sebelum karbon
bergabung dengan oksigen.
2. Karbon terbakar lebih dahulu daripada hidrogen.
3. Senyawa hidrokarbon terlebih dahulu bergabung dengan oksigen dan
membentuk senyawa (hidrolisasi) yang kemudian dipecah secara
terbakar.
Persamaan kimia untuk setiap hidrakarbon dapat dengan mudah untuk
dituliskan. Misalnya untuk iso-oktana (C8H18) maka persamaaannya adalah :
Adalah sudah diketahui bahwa proses pembakaran tidak sederhana dan kombinasi
langsung dari atom-atom seperti yang ditunjukan persamaan kimia. Sebagai aturan
2
reaksi oksidasi mempunyai banyak tingkat alami dan reaksi berantai yang mana
peranan penting dilakukan oleh produk antar aktif yang dibentuk selama reaksi.
Perlu juga dipahami bahwa, proses pembakaran yang terjadi di dalam
ruang bakar merupakan gabungan dari 2 aspek yang saling terkait satu sama
lain, yaitu aspek aliran dan perpindahan kalor. Kedua aspek ini sangat sulit
diamati secara eksperimental karena lokasi prosesnya berada di dalam ruang
tertutup yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Beberapa pendekatan
analitik tidak mampu menjelaskan fenomena yang terjadi karena kondisi
prosesnya yang sangat kompleks. Oleh karena itu saat ini dilakukan berbagai
upaya untuk menjelaskan fenomena pembakaran dengan pendekatan numerik.
Mekanisme aliran campuran udara-bahan bakar di dalam ruang bakar suatu
motor bakar sangat penting difahami karena mempengaruhi kinerja mesin
dan efisiensinya. Dengan memahami pengaruh berbagai parameter terhadap
kondisi aliran tersebut maka dapat dilakukan upaya-upaya untuk melakukan
perbaikan desain. Tiga parameter yang dapat digunakan untuk
mengkarakterisasi gerakan skala besar di dalam silinder adalah swirl, squish dan
tumble. Gerakan pencampuran ini dikategorikan berskala besar karena panjang
karakteristik dari gerakan fluida berada dalam orde ukuran diameter ruang
bakar, dimana vortex berskala kecil yang dihasilkan oleh turbulensi
ukurannya jauh lebih kecil.
Gerakan swirl adalah gerakan rotasional aliran pada sumbu silinder,
sedangkan Tumble adalah gerakan vortex yang dtimbulkan oleh keberadaan katup.
Adapun squish merupakan aliran radial yang terjadi pada akhir langkah
kompresi dimana gas yang terkompresi mengalir ke dalam ruangan di
bagian kepala silinder. Untuk mempelajari gerakan fluida di dalam silinder
3
dapat dilakukan diantaranya dengan menggunakan teknik Laser Doppler
Velocimetry (LDV) maupun Particle Image Velocimetry (PIV). Teknik ini
mudah dilakukan dan memiliki ketelitian cukup baik, akan tetapi peralatan
harganya cukup mahal. Oleh karena itu, dengan memanfaatkan kemajuan di
bidang teknik komputasional numerik maka saat ini tengah
dikembangkan teknik numerik yang cukup.
Motor Spark Ignition empat langkah adalah motor yang setiap siklus kerjanya
diselesaikan dalam empat kali gerak bolak balik langkah piston atau dua kali putaran
poros engkol (crank shaft). Langkah piston adalah gerak piston tertinggi/teratas
disebut titik mati atas (TMA) sampai yang terendah/terbawah disebut titik mati
bawah (TMB). Sedangkan siklus kerja adalah rangkaian proses yang dilakukan oleh
gerak bolak-balik translasi torak (piston) yang membentuk rangkaian siklus tertutup.
Proses siklus motor empat langkah dilakukan oleh gerak torak (piston) dalam silinder
tertutup, yang bekerja sesuai dengan pengaturan gerak katup atau mekanisme
katup pada katup isap dan katup buang.
Gambar 1.1 Proses siklus motor empat langkah
4
Langkah kerja motor empat langkah adalah langkah isap, langkah kompresi,
langkah kerja dan langkah buang, lebih jelasnya dapat diuraikan sebagai berikut : 1.
Langkah Isap Torak (piston) bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati
bawah (TMB). Katup isap dibuka dan katup buang ditutup, sehingga tekanan di
dalam silinder menjadi tekanan rendah atau vacum selanjutnya campuran udara dan
bahan bakar terisap masuk melalui katup isap untuk mengisi ruang silinder. 2.
Langkah Kompresi Torak (piston) bergerak dari titk mati bawah (TMB) menuju titik
mati atas (TMA). Katup isap dan katup buang ditutup. Pada proses ini campuran
bahan bakar dan udara ditekan atau kompresi, akibatnya tekanan dan
temperaturnya naik sehingga akan memudahkan proses pembakaran. 3. Langkah
Kerja Torak (piston) bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah
(TMB). Katup isap dan katup buang masih ditutup. Sesaat piston menjelang titik mati
atas busi pijar menyalakan percikan api seketika campuran bahan bakar dan udara
terbakar secara cepat berupa ledakan. Dengan terjadinya ledakan meghasilkan
tekanan sangat tinggi untuk mendorong piston ke bawah, sebagai tenaga atau
usaha yang dihasilkan mesin. 4. Langkah Buang, Torak (piston) bergerak dari titik
mati bawah (TMB) menuju titik mati Atas (TMB). Katup isap tertutup dan katup
buang dibuka, sehingga gas buang keluar melalui katup buang.
Untuk itu ruang bakar harus mampu mengontrol pembakaran campuran
udara-bahan bakar untuk mendapatkan :
1. Tekanan maksimum pada awal langkah kompresi
2. Proses yang bebas vibrasi pada komponen engine
3. Proses yang tidak menimbulkan knocking
4. Pada pendinginan mengalami losses minimal
5. .Em is i gas buang m in ima l
5
Proses pembakaran pada motor bensin umumnya dibagi dalam empat phase
berdasarkan jumlah pelepasan energi hasil pembakaran yaitu :
1. Phase pencetusan bunga api, adalah phase dimana sejumlah energi
panas dilepaskan melalui eletroda busi untuk mengawali pembakaran
2. Phase pembentukan nyala (flame development phase), phade yang
berawal dari sesaat setelah bunga api dicetuskan sampai suatu kondisi
dimana sejumlah kecil masa gas di dalam silinder terbakar dan
melepaskan kira-kira 10 % energi pembakaran.
3. Phase Perambatan Nyala (rapid burning phase). Merupakan phase
setelah phase pembentukan nyala samai akhir perambatan nyala.
Biasanya 90 % energi pembakaran sudah dilepaskan.
4 . Phase Pemadaman Nyala ( flame extinguishing phase). Merupakan
phase yang mengakhiri proses pembakaran
Sistem pengapian yang semakin baik maka pembakaran dalam ruang bakar
akan semakin sempurna, sehingga kemungkinan adanya campuran bahan bakar
dan udara yang tidak terbakar akan semakin kecil. Dalam sistem pengapian busi
memegang peranan penting. Busi berfungsi untuk memercikkan buang api,
sehingga dengan disain busi yang lebih baik diharapkan percikan bunga api yang
dihasilkan busi akan semakin sempurna. Desain busi diharapkan menghasilkan
percikan busur api listrik yang lebih merata, sehingga energi aktivasi untuk
mendukung terjadinya pembakaran yang lebih sempurna, daya yang terjadi lebih
optimal, efisiensi thermalnya meningkat, konsumsi bahan bakar lebih irit, dan emisi
gas buang yang lebih bersih.
Rosid (2016) melakukan simulasi terkait analisa proses pembakaran pada
motor bensin 113,5 cc dengan Simulasi Ansys. Model pembakaran yang digunakan,
6
sangat mempengaruhi hasil simulasi. Beberapa parameter model pembakaran harus
diterapkan sesuai dengan pendekatan eksperimental, metodologi penelitian yang
dilakukan pada mesin bensin 113.5 cc menggunakan parameter pembakaran. Hasil
simulasi menunjukkan zona kinerja terbaik pada 3000 rpm pembakaran, bahan
bakar mulai terbakar pada tekanan 1.471,90 kPa, temperatur 445,68 K. Tekanan
puncak optimal 2.623,00 kPa pada 748,75 derajat sudut engkol, tekanan puncak
tertinggi 4.097,80 kPa pada 759,25 derajat sudut engkol. suhu puncak tertinggi
optimal 1.341,93 K di 789,25 derajat sudut engkol sudut. Urutan sesungguhnya dari
tingkatan reaksi oksidasi dan pembakaran dari bahan bakar mesin pembakaran
dalam tidak dimengerti secara mendalam.
Tahap pertama pembakaran dinamakan ignition lag adalah bukan periode
tanpa keaktifan, namun sebuah proses kimia, dalam bentuk sudut engkol adalah 10
sampai dengan 20 derajat dan dalam bentuk waktu sekitar 0,0015 detik. Masa dari
ignition lag tergantung dari faktor sebagai berikut :
1. Bahan Bakar
Ignition lag tergantung pada susunan alami kimia bahan bakar. Makin tinggi
temperatur nyala-sendiri dari bahan bakar maka makin panjang ignition lag.
2. Rasio Campuran
Ignition lag terkecil terjadi pada rasio campuran yang memberikan
temperature maksimum. Rasio campuran ini sedikit lebih kaya dari rasio
stoichiometri, seperti ditunjukan pada Gambar 1.2.
3. Temperatur dan Tekanan Awal
Laju reaksi kimia sangat tergantung dari temperatur. Lajun ini sangat rendah
bila temperaturnya rendah namun naik dengan cepat bersamaan dengan
naiknya temperature. Laju reaksi kimia juga terpengaruh oleh tekanan namun
7
kecil. Jadi ignition lag turun bersamaan dengan naiknya temperature dan
tekanan gas pada waktu penyalaan. Jadi menaikan temteratur dan tekanan,
menaikan rasio kompresi dan memperlambat (retard) nyala api semuanya
mengurangi ignition lag.
Gambar 1.2. Akibat keadaan campuran pada ignition lag
4. Jarak antar ujung elektroda
Jarak antar ujung elektroda adalah penting bila dipandang dari sudut
pembentukan titik api. Bila jaraknya terlalu kecil, pendinginan inti api mungkin
terjadi dan daerah dari rasio bahan bakar udara untuk pembentukan inti api
menjadi lebih kecil. Gambar 1.3. menunjukan hubungan keregangan
elektroda dengan rasio bahan bakar udara yang dibutuhkan untuk bermacam
rasio kompresi. Makin rendah rasio kompresi makin makin besar jarak
kerenggangan yang diminta. Untuk rasio kompresi di atas 7 maka
kerenggangan 0,625 mm telah mencukupi. Voltage pada elektroda busi makin
tinggi untuk membangkitkan api dengan menurunnya rasio bahan bakar
udara dan naiknya rasio kompresi serta naiknya beban mesin.
8
Gambar 1.3. Akibat kerenggangan elektroda pada ratio udara-bahan bakar
untuk bermacam rasio kompresi
Dengan demikian dapat dikatakan makin besar jarak elektroda maka makin
besar pula perbedaan tegangan yang diperlukan untuk memperoleh intensitas
api listrik yang sama. Maka baik tidaknya proses pembakaran juga ditentukan
oleh jarak/kerenggangan elektroda. Selain itu penentuan tempat/posisi busi di
dalam ruang bakar juga penting, agar selalu terdapat campuran bahan bakar
dan udara yang mudah terbakar.
5. Turbulensi
Ignition Lag tidak banyak terpengaruh oleh intensitas turbulensi. Turbulensi
sendiri berbanding langsung dengan kecepatan mesin. Sehingga kenaikan
kecepatan mesin juga tidak banyak mempengaruhi ignition lag yang
pengukurannya dalam milidetik. Tetapi begitu kecepatan naik sudut crank
dalam milidetik juga naik secara hamper linier dengan kecepatan mesin.
Untuk alasan inilah menjadi keharusan untuk memajukan saat penyalaaan
9
pada kecepatan tinggi. Turbulensi berlebihan dari campuran di daerah busi
adalah amat merugikan, karena akan membuat perpindahan panas dari
daerah pembakaran dan akan menuju pembentukan yang tidak stabil dari inti
api. Dan itulah sebabnya busi diletakkan sedikit lebih masuk di dalam dinding
dalam ruang bakar.
\
10
II. Variabel Mesin Pada Perkembangan Api
Pengertian dari variabel yang mempengaruhi kecepatan perkembangan api
adalah penting karena kecepatan api mempengaruhi laju pertambahan tekanan
dalam silinder, dan yang mempunyai beberapa macam pembakaran abnormal. Ada
beberapa faktor yang berpengaruh pada kecepatan api, yang paling menonjol
adalah rasio bahan bakar-udara dan turbulensi.
2.1. Rasio Bahan Bakar Udara
Komposisi dari campuran kerja mempengaruhi laju pembakaran dan panas yang
terlibat. Dengan bahan bakar hidrokarbon kecepatan maksimum api terjadi pada
campuran 10 % lebih dari stoichiometri seperti ditunjukan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Akibat keadaan campuran pada laju pembakaran sebagaimana
ditunjukkan dengan waktu yang diambil untuk pembakaran sempurna
Bila campuran dibuat lebih miskin atau diperkaya, kecepatan api berkurang.
Campuran miskin memberikan energi panas lebih sedikit yang memberikan
temperatur api lebih rendah, demikian pula kecepatan api. Campuran amat kaya
akan menghasilkan pembakaran tidak sempurna, pembakaran yang juga
11
memberikan energi panas yang lebih sedikit berakibat sama dengan campuran
miskin. Diagram indicator untuk campuran kaya (tenaga maksimum A/F = 12 : 1),
Stoichiometri (A/F = 15 : 1) dan miskin (ekonomi maksimum A/F = 16 : 1) dapat
ditunjukan pada Gambar 2.2. sebagai berikut :
Gambar 2.2. Diagram indicator untuk campuran kimia tepat dan miskin
2.2. Rasio Kompresi
Rasio kompresi yang lebih tinggi menaikan tekanan dan temperatur media kerja dan
menurunkan konsentrasi gas buang. Perbandingan kompresi rendah berarti ruang
bakar otomatis luas, tapi bila tinggi berarti ruang bakar sempit. Torsi akan membesar
saat perbandingan rasio makin tinggi, efisiensi makin meningkat dengan jumlah
bahan bakar yang sama. Rasio kompresi menentukan kandungan Research Octane
Number (RON) dalam bahan bakar yang wajib digunakan. Semakin tinggi maka
butuh RON semakin besar, bila tidak sesuai maka rentan knocking alias detonasi
atau ngelitik. Menurunkan konsentrasi gas buang akan mengurangi ignition lag
pembakaran dan ignition advance dapat dikurangi. Tekanan tinggi dan temperatur
tinggi juga akan menjadi berkurang. Tekanan maksimum dan indicated mep juga
akan naik. Gambar 2.3. menunjukan bagaimana kenaikan kecepatan pembakaran
dengan kenaikan rasio kompresi.
12
Gambar 2.3. Diagram Aktual Indikator pada beberapa rasio kompresi
Dan yang terakhir dengan menggunakan rasio kompresi yang lebih tinggi menaikan
rasio surface ke volume, yang berarti menaikan bagian dari campuran yang
afterburn pada tahap ketiga. Kenaikan rasio kompresi yang mengakibatkan kenaikan
temperature yang menaikan pula kecenderungan mesin untuk detonasi.
Jadi adalah perlu keseimbangan yang halus dan faktor apapun dapat membuat
seluruh proses salah. Jika kompresi mesin terlalu rendah, dapat menyebabkan
bahan bakar untuk membakar dan terbakar sebelum dinyalakan oleh busi. Jika
bahan bakar terbakar dengan cara ini, bensin tidak terbakar dengan sempurna, dan
sisa bahan bakar dan senyawa menyebabkan sisa yang menempel pada bagian
dalam ruangan. Penumpukan ini berdampak negatif mempengaruhi ruangan dalam
silinder, yang merupakan penyebab umum dari mesin ketukan. Dengan deposit yang
tebal sehingga meningkatkan kompresi dalam silinder, dan jika kompresi yang lebih
tinggi ini tidak diperkirakan (seperti menggunakan bensin oktan yang lebih tinggi
atau menyesuaikan rentang suhu mesin), kompresi yang lebih tinggi dapat
menyebabkan knocking.
13
2.3. Temperatur dan tekanan awal
Menaikan temperatur dan tekanan awal akan menaikkan kecepatan api.
2.4. Beban Mesin
Dengan naiknya beban mesin tekanan siklus naik, jadi kecepatan api naik. Pada
mesin SI dengan penurunan beban, tenaga dari mesin turun dengan throttling.
Karena throttling tekanan kompresi awal dan akhir turun dan dilusi antara campuran
kerja dan sisi gas buang menjadi lebih banyak. Hal demikian akan menyebabkan
pengembangan inti api sulit dan tidak tetap dan akan memperpanjang ignition lag.
Kesulitan ini dapat diatasi dengan cara memperkaya campuran pada beban rendah
(0,8-0,9 dari stoichiometri) tetapi masih sulit untuk menghindari afterburning yang
terjadi pada sebagian bagian pada pada langkah ekspansi. Dalam kenyataan
pembakaran jelek pada beban rendah dan keharusan memperkaya campuran
adalah beberapa kerugian dari kerugian pada mesin SI yang berarti membuang
bahan bakar dan penghembusan keluar sejumlah besar produk pembakaran yang
tidak sempurna seprti gas CO dan gas racun lainnya.
2.5. Turbulensi
Turbulensi memainkan peranan yang amat penting pada phenomena pembakaran.
Kecepatan api amat pelan pada campuran yang tidak turbulen. Campuran yang
turbulen akan merangsang proses perpindahan panas dan mencampur bagian yang
belum dan sudah terbakar di muka dinding api. Kedua fackor ini menyebabkan
kecepatan api turbulen untuk naik praktis sebanding dengan kecepatan turbulen.
Turbulen dari campuran dihasilkan oleh campuran melewati saluran yang relatif
sempit dari mulai ujung karburator manifold intake laluan katup pada langkah hisap.
Turbulensi dapat ditingkatkan pada akhir langkah kompresi dengan bentuk
14
perencanaan ruang bakar termasuk bentuk geometri silinder dan piston crown.
Derajat turbulensi naik berbanding langsung dengan kecepatan piston. Bila tidak ada
turbulensi maka waktu yang dibutuhkan untuk setiap pembakaran akan cukup
memakan waktu sehingga untuk membuat mesin kecepatan tinggi adalah tidak
mungkin. Turbulensi yang tidak cukup menjadikann pembakaran tidak sempurna,
namun terlalu turbulen juga tidak dikehendaki. Akibat turbulensi dapat diringkaskan
sebagai berikut :
1. Turbulensi mempercepat reaksi kimia dengan mencampur bahan bakar dan
oksigen lebih dekat, sehingga turbulensi memungkinkan pendahuluan
penyalaan dapat dikurangi dan dapat menyebabkan campuran miskin dapat
terbakar. Kenaikan kecepatan api karena turbulensi mengurangi waktu
pembakaran dan menminimalkan kecenderungan detonasi.
2. Turbulensi menaikan laju panas ke dinding silinder dan dalam batas
turbulensi berlebihan dapat mematikan api.
3. Turbulensi berlebihan menghasilkan kenaikan tekanan dengan lebih cepat
(walaupun tekanan maksimum lebih rendah) dan laju kenaikan yang tinggi
dapat menjadikan crankshaft berayun dan keseluruhan mesin dapat bergetar
dengan periode tinggi, yang menghasilkan suara keras dan kasar dari mesin
bila dioperasikan.
2.6. Kecepatan Mesin
Makin tinggi kecepatan mesin makin tinggi pula turbulensi yang terjadi di
dalam silinder. Dari alasan inilah kecepatan api sebanding hamper linear dengan
kecepatan mesin. Jadi bila kecepatan mesin diduakalikan waktu, dalam milidetik, api
akan menjelajah di ruang bakar dengan waktu separuhnya. Menduakalikan
15
kecepatan asal dan berarti mensetengahkan waktun asal akan memberikan sudut
crankshaft yang sama untuk pengembangan api. Sudut crank yang dibutuhkan untuk
pengembangan api adalah tahap utama pembakaran, akan selalu hamper konstan
pada setiap kecepatan. Ini adalah sifat yang penting dari mesin SI. Namun menaikan
kecepatan mesin akan menuju ignition advance karena tahap pertama pembakaran.
Dapat dijelaskan disini dengan contoh. Sebuah mesin SI dengan putaran 1500 rpm,
misalkan untuk tahapan awal pembakaran ignition lag, waktu yang dibutuhkan
dalam bentuk derajat engkol, adalah 8o dari putaran engkol dan untuk tahapan
kedua, pengembangan api ke ruang bakar, dibutuhkan 12o . Jadi total ignition period
= 20 o, dari putaran engkol. Sekarang misalkan putaran di dua kalikan dari 1500 rpm
menjadi 3000 rpm, waktu yang dibutuhkan untuk tahapan kedua akan tetap 12o dari
putaran engkol (karena menduakalikann waktu intensitas turbulensi dalam milidetik
menjadi separuhnya, dan dalam derajat engkol tetap, namun untuk tahap awal
dalam milidetik adalah konstan dan dalam ukuran derajat engkol akan dua kali yaitu
16o, sehingga total period menjadi 16o + 12o = 28o putaran engkol pada 3000 rpm,
disbanding 8 + 12 = 20o pada 1500 rpm. Dari itulah dapat dinyatakan bahwa dengan
kenaikan kecepatan mesin penyalaan harus diajukan (advance). Di dalam praktek
hal demikian diatur oleh peralatan tertentu.
2.7. Ukuran Mesin
Mesin dengan desain serupa biasanya berjalan dengan kecepatan piston
yang sama. Hal demikian dapat dicapai dengan mesin lebih kecil namun mempunyai
rpm yang lebih tinggi dan mesin lebih besar mempunyai rpm lebih rendah.
Dikarenakan kecepatan piston yang sama, kecepatan inlet, derajat turbulensi dan
kecepatan api hampir sama tanpa melihat ukuran. Namun perlu diingat bahwa pada
16
mesin kecil perjalanan api pendek, pada mesin besar perjalanan api panjang. Jadi
bila ukuran mesin diduakalikan maka pengembangan api menjadi dua kali juga.
Tetapi dengan rpm yang lebih rendah pada mesin besar waktu untuk
pengembangan dalam bentuk derajat engkol akan hampir sama dengan mesin kecil,
atau dengan kata lain jumlah nderajat yang dibutuhkan untuk perjalanan api akan
hampir sama tanpa melihat ukurannya dengan catatan mesinnya serupa.
2.8. Laju Kenaikan Tekanan
Laju kenaikan tekanan adalah aspek yangpaling penting dalam titik pengamatan
pengembangan api dari rancangan mesin dan operasi. Ia akan jelas memperngaruhi
tekanan maksimum silinder, daya yang dihasilkan dan kehalusan operasi dari mesin.
Laju kenaikan tekanan tergantung dari laju masa pembakaran campuran di silinder.
Gambar 2.4. menunjukan diagram tekanan dan sudut engkol untuk bermacam laju
pembakaran.
Gambar 2.4. Hubungan antara tekanan dan sudut engkol untuk bermacam
laju pembakaran
Nampak jelas, dengan laju pembakaran yang lebih rendah, waktu yang dibutuhkan
untuk pembakaran lebih lama dengan keharusan permulaan pengapian lebih
17
didahulukan pada langkah kompresi. Dengan laju pembakaran yang lebih cepat,
waktu yang dibutuhkan untuk pembakaran lebih pendek dan laju tekanan lebih
tinggi. Juga tekanan maksimum yang dihasilkan lebih dekat dengan TMA. Yang
seharusnya dikehendaki karena menghasilkan daya yang lebih besar, beraksi lewat
sebagaian besar pada langkah tekan. Namun tekanan puncak dan ini berarti
temperature puncak yang terlalu dekat TMA akan memberikan kehilangan panas
yang cepat dari silinder. Laju kenaikan tekanan yang lebih tinggi menyebabkan
operasi mesin yang kasar karena vibrasi dan goncangan yang dihasilkan crankshaft.
Bila Laju tekanan amat tinggi akan menghasilkan pembakaran tidak normal yang
dikenal dengan detonasi. Dalam praktek mesin dirancang sedemikian rupa sehingga
separuh dari kenaikan tekanan mengambil tempat begitu piston mencapai TMA. Hal
demikian ini akan menghasilkan tekanan dan temperature puncak berada pada 10 –
15 0 seduah TMA. Dengan jalan ini hanya sangat sedikit bagian dari langkah
ekspansi hilang dan akan mendapatkan operasi mesin yang halus serta
menyelamatkan waktu dimana kerugian panas cepat terjadi. Mesin dewasa ini
beratio kompresi 8-9 dengan kenaikan laju 3 – 4 kgf/cm2 per derajat engkol dapat
digunakan bila engine mounting cukup kaku dan efisien.
2.9. Pembakaran Normal dan Abnormal
2.9.1. Pembakaran Normal
Proses ini terjadi bilamana penyalaan campuran udara bahan bakar semata-mata
diakibatkan oleh percikan bunga api yang berasal dari busi. Adapun nyala api akan
menyebar secara merata dalam ruang bakar dengan kecepatan normal sehingga
campuran udara bahan bakar terbakar pada suatu periode yang sama.
18
Tekanan gas yang diakibatkan oleh proses ini akan merata (tanpa fluktuasi tekanan)
dalam ruang bakar. Pembakaran dimulai sebelum akhir langkah kompresi dan
diakhiri sesaat setelah melewati titik mati atas. Suhu dalam ruang bakar akan
mencapai kisaran 2100K–2500K (1800-2200 0 C) .
2. Pembakaran Tidak Normal
Dalam pembakaran normal api dimulai oleh spark dan berjalan pada seluruh ruang
bakar dengan laju yang cukup. Namun dari operasi yang demikian pembakaran
abnormal dapat terjadi yang dapat menggangu umur dan unjuk kerja mesin. Ada
beberapa bentuk pembakaran abnormal yang dapat terjadi antara lain detonasi atau
knock, pre ignition dan run-on. Dari beberapa tersebut detonasi atau knock adalah
amat penting karena membatasi rasio kompresi yang mana mesin dapat
dioperasikan, artinya mengontrol terhadap efisiensi dan daya yang dihasilkan.
Lebihn detail dapat disampaikan bahwa pembakaran abnormal terjadi karena
sebagian campuran bahan bakar mengalami penyalaan sendiri yang biasanya tidak
disebabkan oleh percikan bunga api dari busi. Hal ini dikarenakan temperatur
campuran bahan bakar udara terlalu tinggi yang salah satunya disebabkan hasil dari
langkah kompresi, hingga mencapai titik nyalanya, sehingga menyebabkan
campuran tersebut akan menyala dengan sendirinya. Ataupun titik panas pada
permukaan ruang bakar yang menimbulkan percikan api dengan sendirinya baik
sebelum ataupun sesudah penyalaan.
Detonasi dapat terjadi pada semua jenis motor bakar torak. Sifat dari timbulnya
detonasi ini sangat merugikan karena :
19
• Mengurangi rendemen motor bakar torak, sebab panas yang dihasilkan lebih
banyak diserap oleh dinding silinder ruang bakar daripada yang diubah
menjadi tenaga mekanis.
• Proses detonasi ini bisa menyebabkan kerusakan komponen mesin seperti:
keretakan pada piston dan setang piston.
• Menyebabkan proses pembakaran berjalan tidak sesuai dengan timing
(waktu) yang telah ditentukan, yakni pembakaran berlangsung terlalu dini.
Pada motor bakar bensin dikenal dua macam detonasi, sebagai berikut:
• Detonasi karena campuran bahan bakar menyala sebelum busi
mengeluarkan nyala api. Hal ini disebabkan karena adanya kotoran-kotoran
arang yang tertimbun pada dinding silinder dan kepala piston yang menyala
terus menerus. Disamping itu juga bisa disebabkan oleh adanya tekanan
kompresi yang terlalu besar, sehingga menyebabkan kenaikan temperatur
yang mencapai titik nyala campuran bahan bakar dan udara tersebut.
• Detonasi yang disebabkan karena kecepatan pembakaran disekitar busi yang
terlalu tinggi, hingga pada proses ekspansi, sisa bahan bakar yang belum
terbakar akan termampatkan, temperaturnya sangat tinggi sampai sisa
tersebut seluruhnya terbakar dengan sendirinya. Akibat dari detonasi ini maka
massa gas dalam silinder akan bergetar hingga terjadi tekanan-tekanan
setempat yang lebih tinggi dari biasanya.
Hal ini terjadi karena proses pembakaran yang tidak normal menimbulkan
gelombang tekanan yang berbenturan dengan gelombang tekanan yang terjadi
akibat pembakaran yang berjalan normal (akibat percikan api dari busi semata).
Kejadian ini terjadi disertai dengan suara pukulan pada dinding ruang bakar, hingga
20
terdengar suara ketukan logam (knocking). Knocking yang berat akan menyebabkan
kerusakan pada komponen mesin, terutama pada kepala piston.
Faktor-faktor yang menyebabkan terlalu tingginya temperatur campuran bahan
bakar dan udara, sehingga menimbulkan detonasi tersebut adalah sebagai berikut :
• Nilai oktan (octane number) dari bahan bakar yang terlalu rendah. Nilai oktan
adalah bilangan yang menyatakan prosentase kandungan isooktana (C8H18)
pada campuran iso-oktana dengan heptana (C7H16) dalam bahan bakar.
Pada iso-oktana bebas dari knocking, sedang heptana mempunyai nilai
knocking yang buruk. Semakin tinggi nilai oktan maka semakin bagus anti
knocking bahan bakar tersebut.
• Waktu pengapian yang terlalu cepat. Waktu pengapian yang terlalu cepat
menyebabkan timbulnya sebagian dari bahan bakar yang belum sempat
terbakar. Sampai proses ekspansi sisa bahan bakar tersebut akan
termampatkan, sampai temperaturnya tinggi hingga menyebabkan timbulnya
(self ignition).
• Busi terlalu panas. Busi yang terlalu panas akan menyebabkan suhu
disekitarnya tidak merata, sehingga ketika busi menyala terdapat daerah-
daerah dengan suhu yang berbeda yang menyebabkan pembakaran bahan
bakar berjalan tidak merata.
• Temperatur nyala bahan bakar Bahan bakar dengan temperatur nyala yang
tinggi akan menyebabkan sulit untuk berdetonasi, dengan kata lain pada
bahan bakar dengan temperatur nyala yang tinggi akan sulit untuk terbakar
dengan sendiri.
• Sistem pendinginan dinding silinder ruang bakar kurang baik Fungsi dari
sistem pendinginan adalah untuk mendinginkan mesin saat terjadinya
21
pembakaran dalam silinder. Jika pendinginannya tidak merata, maka
dimungkinkan akan menyebabkan proses pembakaran dalam ruang bakar
tidak merata pada seluruh ruang.
• Terjadinya pembesaran perbandingan kompresi Perbandingan kompresi
merupakan perbandingan volume silinder terbesar dengan volume terkecil.
Dengan kenaikan perbandingan kompresi ini akan mengakibatkan tekanan
kompresi menjadi naik, sehingga bila sampai mencapai tekanan nyala bahan
bakar, maka akan menyebabkan terjadinya pembakaran sendiri tanpa pemicu
dari busi.
Hasil atau produk yang didapat dari reaksi pembakaran dapat dibedakan menjadi
beberapa jenis berdasarkan jenis pembakarannya, yaitu :
1. Pembakaran sempurna (ideal) Setiap pembakaran sempurna pasti akan
menghasilkan karbondioksida dan air. Reaksi pembakaran sempurna ini
hanya dapat berlangsung jika campuran udara-bahan bakar sesuai dengan
kebutuhan atau campuran stoikiometris dan cukup waktu untuk pembakaran
campuran udara-bahan bakar.
2. Pembakaran tak sempurna Proses pembakaran tak sempurna terjadi bila
kebutuhan oksigen untuk pembakaran tidak cukup terpenuhi. Produk yang
dihasilkan dari proses pembakaran tak sempurna adalah hidrokarbon tak
terbakar (HC), dan bila hanya sebagian dari hidrokarbon yang terbakar, maka
aldehide, ketone, asam karbosiklis, dan karbon monoksida akan menjadi
polutan dalam gas buang.
22
3. Pembakaran dengan udara berlebih Pada kondisi temperatur yang tinggi,
nitrogen dan oksigen yang terdapat dalam udara pembakaran akan bereaksi
dan akan membentuk oksida nitrogen (NO dan NO2).
Disamping itu produk yang dihasilkan dari proses pembakaran dapat berupa oksida
timah, oksida halogenida, oksida sulfur, serta emisi evaporatif seperti hidrokarbon
ringan yang teremisi dari sistem bahan bakar.
Turbulensi, sebagaimana dinyatakan, memiliki efek yang sangat penting pada
ketukan. Mesin dengan turbulensi yang baik cenderung mengetuk lebih sedikit
daripada mesin dengan turbulensi yang buruk. Turbulensi terjadi tidak hanya saat
mesin menghirup tetapi juga ketika campuran dikompresi dan dibakar. Banyak
piston dirancang untuk menggunakan turbulensi "squish" untuk mencampurkan
udara dan bahan bakar secara bersamaan saat dinyalakan dan dibakar, yang
mengurangi ketukan dengan mempercepat pembakaran dan pendinginan campuran
yang tidak terbakar. Salah satu contohnya adalah semua katup samping modern
atau mesin flathead . Sebagian besar ruang kepala dibuat untuk berada di dekat
mahkota piston. Pada hari-hari awal kepala katup samping ini tidak dilakukan dan
rasio kompresi yang jauh lebih rendah harus digunakan untuk setiap bahan bakar
yang diberikan. Juga mesin seperti itu peka terhadap gerak maju pengapian dan
memiliki daya lebih kecil.
23
III. DETONASI
Beda pembakaran normal dan detonasi atau knock ditunjukan pada Gambar
3.1. Pada pembakaran normal (Gambar 3.1a) dinding api normal melewati ruang
bakar dari A ke D. Kecepatannya sekitar 13 – 30 m/dt. Pada saat dinding api
menekan campuran yang belum terbakar BB’D, temperature naik. Sementara itu
temperatur juga naik akibat dari radiasi dari dinding api yang berjalan dan juga dari
reaksi yang terjadi pada campuran yang belum terbakar itu sendiri. Bila kondisi
campuran yang belum terbakar tersebut belum mencapai temperatur kritis untuk
terbakar sendiri, maka ia tak akan dapat terbakar sendiri dan dinding api BB’ akan
bergerak melewati campuran yang belum terbakar tersebut sampai titik terjauh di
ruang bakar D dengan cara yang normal dan yang akan tampak pada layar CRO
adalah diagram tekanan-derajat engkol untuk pembakaran normal merupa grafik
yang halus.
Gambar 3.1. Pembakaran di Mesin SI.
24
Pada pembakaran detonasi atau knocking bagian isi akhir menyala sebelum
dinding api mencapainya. Untuk mencapai rasio ignition bagian isi akhir yang belum
terbakar mencapai daerah/titik temperature kritis (yang tergantung kondisi tekanan
dan densitas dari isi yang belum terbakar) dan tetap pada temperatur demikian
untuk waktu tertentu pula. Selama periode ini terjadi reaksi kimia dengan persiapan
untuk isi tersebut terbakar sendiri. Waktu yang dibutuhkan untuk phase persiapan ini
disebut ignition delay. Gambar 3.1b menunjukan pembakaran dengan detonasi.
Dinding api mencapai BB’ dan bagian yang belum terbakar BB’D mencapai kondisi
kritis uttuk terbakar sendiri. Keadaan demikian ada kemungkinan untuk detonasi
atau knocking. Bila dinding api dapat menuju dari BB’ ke D dan memberikan
campuran yang belum terbakar dalam keadaan normal, menjelang selesainya delay
period maka disana tidak terjadi detonasi. Bila misalnya dinding api hanya bisa
mencapai misalnya CC’ selama delay period maka sisa dari campuran yang belum
terbakar CC’D akan terbakar sendiri dan menyebabkan fluktuasi tekanan. Dalam
auto ignition pembakaran adalah sesaat yang menghasilkan pelepasan energi yang
cepat menyebabkan end gas naik sampai 3 – 4 kali tekanan normal, yaitu dari
sekitar 50 kg/cm2 sampai menjadi 150 – 200 kg/cm2. Gambar 3.2. menunjukan
ABCD adalah siklus normal dengan puncak tekanan Pc .
Bagian akhir dikompresi dari PB ke PE , penyalaan spontan dari end gas
manaikan tekanan dengan amat cepat dari PE – PF. Perbedaan tekanan memberikan
gelombang tekanan yang memukul dinding silinder dan menyebabkan vibrasi, serta
memberikan karakter semacam suara pemukulan logam (knocking) seperti bila
logam dipukul dengan hammer kecil ringan. Dari suara itulah peristiwa tersebut
dinamakan knocking atau detonasi. Perlu dicatat disini bahwa knocking pada diesel
25
mempunyai arti agak berbeda. Knocking pada mesin SI selalu terjadi dekat pada
akhir pembakaran dimana pada diesel terjadi pada permulaan pembakaran.
Gambar 3.2. Kenaikan tekanan di detonasi
Kecepatan saat terjadi detonasi sekitar 300 – 1000 m/dt. Jelas dari
penjelasan phenomena bahwa untuk dapat terjadi detonasi amatlah tergantung pada
sifat bahan bakar. Bila isi yang belum terbakar tidak mencapai temperature kritis
maka tidak akan terjadi detonasi. Kedua bila delay period panjang dari waktu yang
dibutuhkan untuk dinding api untuk membakar seluruh isi yang belum terbakar maka
juga tidak ada knock. Hanya bila temperature kritis dicapai dan dipertahankan serta
delay period lebih pendek dari waktu yang dibutuhkan oleh dinding api untuk
membakar seluruh sisa dari isi yang belum terbakar maka disana akan timbul
detonasi. Jadi untuk menghindari atau menekan detonasi maka bahan bakar untuk
mesin SI harus bertemperatur menyala sendiri yang tinggi dan mempunyai delay
period yang panjang adalah dikehendaki.
3.1. Akibat Detonasi
Sebelum mendiskusikan teori detonasi, dapat dijelaskan akibat detonasi sebagai
berikut :
26
a. Suara dan Kekasaran
Knock yang rendah tidak dapat didengar dan juga tidak berbahaya. Bila
Intensitas knock naik dan suara mulai terdengar karena dihasilkan oleh
pengembangan gelombang tekanan yang bergetar bolak balik dalam silinder.
Adanya gerakan vibrasi menyebabkan crankshaft ikut bergetar dan mesin
berjalan amat kasar.
b. Kerusakan Mekanis
Dalam banyak contoh knocking adalah local dan kenaikan tekanan sangat
cepat yang dapat dilihat dengan gelombang amplitude yang amat besar. Hal
demikian akan menaikkan laju keausan. Erosi di kepala piston, kepala silinder
dan katub mungkin dapat luka. Detonasi dapat amat berbahaya bagi mesin
bila suara yang terjadi amat keras. Pada mesin kecil suara knocking dapat
dengan mudah terdengar dan perbaikan dapat segera dilakukan, tetapi untuk
mesin besar, seperti misalnya mesin pesawat terbang sulit dideteksi sehingga
perbaikanpun tak dapat dilakukan, yang mengakibatkan detonasi yang
berjalan lama dan dapat menghasilkan kerusakan pada piston dan bagian
lainnya.
c. Deposit karbon
Detonasi membuat deposit karbon meningkat
d. Kenaikan Perpindahan Panas
Knocking ditemani dengan kenaikan laju perpindahan panas di dinding ruang
bakar. Kenaikan di perpindahan panas ada karena dua alas an. Alasan minor
adalah temperature maksimum dari mesin yang berdetonasi lebih tinggi dari
mesin yang tidak berdetonasi, karena pembakaran yang amat cepat. Alasan
mayornya adalahuntuk kenaikan perpindahan panas adalah menyingkirkan
27
dinding tipis pelindung yang tak aktif, diam, berupa gas yang menempel pada
dinding oleh gelombang tekanan. Lapisan tipis gas tak aktif ini biasanya
mengurangi perpindahan panas dengan melindungi dinding ruang bakar dan
kepala piston dari nyala api langsung.
e. Penurunan Daya dan Efisiensi
Karena naiknya laju perpindahan panas maka daya dan juga efisiensi menjadi
turun.
f. Pre Ignition
Kenaikan laju perpindahan panas pada dinding mempunyai efek lain. Dapat
menyebabkan over heating setempat, spesial di busi, yang mungkin
mencapai temperatur tinggi, cukup untuk menyala isi sebelum timbulnya
loncatan bunga api yang seharusnya dan peristiwa inilah yang disebut pre
ignition. Sebuah mesin yang berdetonasi untuk waktu yang lama akan
cenderung menyebabkan terjadinya pre ignition dan ini amat berbahaya. Pre-
ignition dapat terjadi selain dari penyebab detonasi.
3.2. Teori Detonasi
Mekanisme sesungguhnya dari knocking atau detonasi sampai dapat terjadi
sebenarnya tidak dapat seratus persen dipahami walaupun sampai saat ini.
Analisa dari phenomena knocking dengan sinematografi high speed menuju
adanya dua teori umum yaitu :
a. Teori auto ignition
b. Teori detonasi
28
3.2.1. Teori auto ignition
Auto ignition mempunyai arti terjadi pembakaran tanpa harus adanya api.
Teori auto ignition knock menganggap bahwa kecepatan api normal
sebelum mulainya auto ignition dan vibrasi gas yang ditimbulkan oleh
sejumlah elemen end gas menyala sendiri berkesinambungan. Auto
ignition tidak akan terjadi bila temperature terbakar sendiri tidak dicapai.
Delay period tertentu dibutuhkan sebelum reaksi terjadi meledak. Hal
tersebut dapat dijelaskan pada Gambar 3.3. Misalkan ada campuran
bahan bakar udara homogeny yang ditekan dengan cepat dan
dipertahankan pada tekanan dan temperatur yang dihasilkan oleh akibat
kompresi tersebut. Bila temperature yang terjadi di bawah temperatur
terbakar sendiri, seperti titik B misalnya maka campuran homogeny
tersebut tidak akan terbakar sendiri, ntetapi secara perlahan menjadi
dingin (ABC). Bila temperatur nyala sendiri tercapai maka campuran
homogeny tersebut akan terbakar sesudah melalui delay period tertentu
seperti di ABC’D’. Delay period menjadi lebih pendek bila temperature naik
karena adanya aktivitas molekul yang lebih tinggi. Selama delay period
BC” terjadi sedikit reaksi kimia yang dinamakan reaksi pre-flame, karena
reaksi ini menyiapkan campuran untuk menjadi api. Metode
sesungguhnya pembentukan reaksi pre-flame tidak diketahui. Namun
banyak peneliti telah menunjukan adanya pemecahan bahan bakar
berlangsung pada reaksi pre-flame menghasilkan aldehida, peroxide dan
radikal bebas. Energi yang dilepaskan oleh reaksi ini dan adanya spesi
kimia aktif dan radikal bebas sangat mempercepat reaksi kimia dan
menuju pada auto-ignition.
29
3.2.2. Teori Detonasi
Dalam teori auto detonation dianggap bahwa kecepatan api adalah normal
sebelum terjadinya detonasi, di dalam teori detonasi sebuah ‘gelombang
detonasi’ nyata dibentuk oleh reaksi pre-flame menjadikan mekanisme
untuk terjadinya auto ignition. Shock wave demikian akan menjelajah
ruang bakar dengan kecepatan sekitar dua akli kecepatan suara dan akan
menekan gas pada tekanan dan temperature demikian rupa yang mana
reaksi dapat terjadi sesaat. Adalah meragukan apakah sebuah gelombang
detonasi nyata dapat terbentuk dalam mesin karena pendeknya
perjalanan api dan kecepatan api normal dari campuran yang dapat
terbakar. Dari itu term ‘knock’ adalah lebih tepat dari pada term ‘detonasi’
untuk penjelasan phenomena ini.
Gambar 3.3. Ignition delay dan temperatur self ignition
Selain itu ada yang berpendapat Ketika campuran bahan bakar / udara
yang tidak terbakar di luar batas depan api dikenai kombinasi panas dan
tekanan selama durasi tertentu (di luar periode penundaan bahan bakar
yang digunakan), ledakan dapat terjadi. Detonasi ditandai oleh pengapian
yang hampir seketika dan eksplosif dari setidaknya satu kantong
30
campuran bahan bakar / udara di luar depan api. Gelombang kejut lokal
terjadi dan tekanan silinder akan naik tajam - dan mungkin melampaui
batas desain - menyebabkan kerusakan.
Jika peledakan dibiarkan bertahan dalam kondisi ekstrem atau melalui
banyak siklus mesin, bagian-bagian mesin dapat rusak atau hancur. Efek
merusak yang paling sederhana adalah keausan partikel yang disebabkan
oleh ketukan sedang, yang selanjutnya dapat terjadi melalui sistem oli
engine dan menyebabkan keausan pada bagian lain sebelum
terperangkap oleh filter oli. Keausan seperti itu memberikan tampilan
erosi, abrasi, atau tampilan "sandblasted", mirip dengan kerusakan yang
disebabkan oleh kavitasi hidrolik. Ketukan yang parah dapat
menyebabkan kegagalan katastropik dalam bentuk lubang fisik yang
meleleh dan didorong melalui piston atau kepala silinder (yaitu,
pecahnya ruang bakar ), yang salah satunya menekan tekanan pada
silinder yang terkena dan memperkenalkan fragmen logam besar, bahan
bakar, dan produk pembakaran ke dalam sistem minyak. Piston
hipereutektik diketahui mudah patah dari gelombang kejut tersebut
Banyak peneliti tidak dapat menerima satu atau kedua teori di atas.
Menurut pendapat mereka baik auto ignition atau detonation wave tidak
perlu ada untuk menjadikan pembakaran knocking. Menurut pendapat
mereka bila sebuah bahan bakar berjalan dengan reaksi pre-flame yang
ekstensif maka laju pengembangan api dapat mencapai kecepatan 150-
400 m/dt dan api yang dipercepat ini melewati end gas sebagai eksplosi
dari end gas tersebut. Secara konklusi dapat dikatakan bahwa knocking
adalah phenomena yang komplek dan tidak ada sebuah penjelasan
31
dianggap cukup untuk menjelaskan seluruh aspek dari phenomena
knocking.
3.2.3. Kimiawi dari knock atau detonasi
Reaksi pre flame yang sangat komplek menuju pada auto ignition. Dalam
reaksi pre flame banyak produk-produk antara muncul yang membantu
adanya auto ignition. Dengan analisa spectrum dari gas-gas terbakar
Ricardo dan Thorhycraft mendeteksi adanya aldehida dalam isi silinder
menjelang pembakaran. Yang lainnya menemukan bahwa knocking terjadi
ketika aldehida dan peroxide ada dalam gas silinder dan tidak sampai
terjadi knocking bila aldehida dan peroxide tidak ada dalam silinder.
Gambar 3.4 menunjukan komposisi dari gas silinder bila disana tidak ada
detonasi. Dapat dilihat disana bahwa jumlah CO2 dan CO naik sedangkan
jumlah O2 turun bilamana pembakaran berlangsung. Sedangkan Gambar
3.5. menunjukan komposisi bila mesin mengalami detonasi ringan.
Gambar 3.4. Komposisi gas silinder dalam pembakaran normal
Perhatikan adanya aldehida dan peroxide di mesin yang berdetonasi.
Penurunan yang cepat dari jumlah O2 selama detonasi dan kenaikan dan
penurunan dari konsentrasi aldehida serta peroxide dapat dilihat pada
gambar 3.5.
32
Gambar 3.5. Komposisi gas silinder pada pembakaran knocking
3.2.4. Akibat variabel mesin pada knock atau detonasi
Untuk menghalangi terjadinya knock pada mesin SI maka end gas harus
mempunyai :
a. Temperatur rendah
b. Densitas rendah
c. Ignition delay panjang
d. Komposisi yang tidak reaktif
Jadi beberapa variable mesin yang mempengaruhi detonasi dapat
diklasifikasikan dalam empat faktor, katakanlah faktor temperatur,
densitas, waktu dan faktor komposisi.
a. Faktor temperatur
Menaikan temperatur dari campuran yang belum terbakar dengan
sebuah factor perencanaan atau operasi akan menaikkan
kemungkinan knock dari mesin SI karena semua reaksi pembakaran
menuju ke delay period yang lebih pendek dan pembentukan formasi
dari spesi kimia lebih besar dan dipercepat dengan adanya kenaikan di
33
kerugian temperatur. Temperatur dari campuran yang belum terbakar
naik oleh sebab beberapa faktor dibawah ini :
• Menaikan rasio kompresi.
Kenaikan rasio kompresi berarti menaikan temperatur maupun
densitas dari campuran yang belum terbakar. Kenaikan
temperatur mengurangi delay period dari end gas. Kenaikan
temperature berarti kenaikan tekanan akan menuju tumbukan
yang lebih besar antar molekul yang menghasilkan
pembentukan spesi kimia yang bertanggung jawab terhadap
knocking. Jadi kecenderungan knocking naik. Logam dengan
koefisien konduktivitas panas tinggi seperti aluminium alloy
adalah diinginkan untuk kepala silinder kompresi tinggi karena
dinding ruang bakar yang dingin adalah keharusan untuk
tekanan tinggi tanpa adanya knock. Namun hot spot dapat
terjadi karena sirkulasi yang jelek dari media pendingin atau
distribusi metal tidak merata.
• Supercharging, juga akan menaikan baik temperature maupun
densitas.
• Menaikkan temperatur inlet, delay period menurun dan
kecepatan perjalanan api naik.
• Menaikan temperature media pendingin, delay period turun
• Menaikkan beban (membuka throttle), kenaikan dalam beban
akan menaikan temperature silinder dan dinding silinder
sehingga menaikkan temperature dari campuran dan end gas.
Juga tekanan dari isi naik.
34
• Kenaikan temperatur silinder dan dinding ruang bakar,
temperatur dari end gas tergantung pada perencanaan ruang
bakar. Busi serta katup buang adalah tempat yang terpanas di
ruang bakar dan seharusnya end gas tidak dikompresi ke arah
tersebut.
• Memajukan waktu penyalaan, ketika waktu penyalaan
dimajukan, gas yang terbakar oleh torak yang naik dikompresi
sehingga baik temperature ataupun densitas menjadi naik. Jadi
kecenderungan knock naik dengan memajukan waktu
penyalaan dan turun bila dilakukan pengunduran waktu
penyalaan. Namun pengunduran waktu penyalaan yang lebih
jauh akan menyebabkan tekanan maksimum lebih turun pada
langkah tenaga sehingga diperoleh daya yang lebih kecil.
b. Faktor Densitas
Menaikan densitas dari campuran yang belum terbakar dengan salah
satu metoda dibawah ini akan menaikkan kecenderungan
kemungkinan adanya knock di mesin
1. Menaikkan rasio kompresi
2. Menaikan beban (dengan throttle)
3. Membuat supercharge
4. Menaikan tekanan inlet
Kenaikan tekanan masuk menaikkan tekanan total selama
siklus. Tekanan tinggi di end gas menurunkan delay period,
yang menaikan kecenderungan isi untuk berdetonasi. Namun,
kenaikan pada tekanan masuk menaikan kecepatan api, yang
35
akan menurunkan kecenderungan untuk detonasi. Tetapi akibat
pertama lebih dominan. Jadi dengan kenaikan inlet pressure
akan menaikkan kecenderungan berdetonasi.
5. Mamajukan waktu penyalaan.
c. Faktor Waktu
Menaikkan waktu terjerangnya campuran belum terbakar ke kondisi
auto ignition dengan salah satu dari beberapa faktor yang akan
menaikan kemungkinan knock dari mesin SI
1. Menaikkan jarak perjalanan api (rancangan ruang bakar, posisi
letak busi dan ukuran mesin). Kemungkinan knock akan naik
bila api harus berjalan lebih jauh untuk dapat membakar seluruh
campuran di ruang bakar. Secara umum makin kompak ruang
bakar, makin baik sifat anti knock-nya karena api berjalan dan
waktu pembakaran menjadi lebih pendek. Lebih jauh lagi bila
rung bakar turbulen sekali, maka laju pembakaran tinggi dan
konsekwensinya waktu pembakaran makin dikurangi, yang
berarti mengurangi kecenderungan knock. Meletakan busi pada
tengah-tengah ruang bakar akan memberikan kecenderungan
knock yang paling minimum, karena perjalanan api minimum.
Perjalanan ini dapat diperpendek lagi dengan menggunakan
dua busi. Selanjutnya ukuran mesin, delay period tidak begitu
banak terpengaruh oleh ukuran silinder. Namun api akan
berjalan lebih jauh bila ruang bakarnya menjadi makin besar,
sehingga dibutuhkan waktu yang lebih lama yang berarti untuk
mesin besar kecenderungan knock nya lebih besar bila
36
dibandingkan dengan mesin yang lebih kecil. Biasanya mesin SI
dibatasi hanya sampai 100 mm diameter silinder.
2. Menurunkan turbulensi dari campuran. Menurunkan turbulensi
dari campuran berarti menurunkan kecepatan api dan berarti
menaikan kecenderungan knock. Turbulensi tergantung pada
bentuk rancang bangun dari ruang bakar dan pada kecepatan
mesin.
3. Menurunkan putaran mesin. Penurunan kecepatan mesin
menyebabkan turunnya turbulensi dari campuran sehingga
terjadi penurunan kecepatan api dan menaikan waktu yang
tersedia untuk reaksi pre-flame. Haasilnya adalah
kecenderungan knock naik dengan turunnya kecepatan.
d. Komposisi
Sifat-sifat bahan bakar dan rasio bahan bakar-udara adalah pengontrol
utama knock, begitu rasio kompresi dan ukuran mesin ditentukan :
1. Angka oktan bahan bakar. Kecenderungan sebuah mesin untuk
knock adalah sangat terpengaruhi oleh sifat bahan bakar yang
dipakai. Secara umum makin rendah temperatur terbakar sendiri
dari bahan bakar atau lebih besar reaksi pre-flame, maka
kecenderungan untuk knock makin besar. Octane number
adalah ukuran kecenderungan knock. Seri paraffin mempunyai
kecenderungan knock paling besar sedangkan seri aromatic
mempunyai kecenderungan knock paling kecil, sedangkan seri
napthen bersifat diantaranya. Hubungan umum antara struktur
molekul dari paraffin dan kecenderungan knocknya :
37
• Memperpanjang gugusan rantai karbon menaikan
kecenderungan knocking
• Memusatkan atom karbon menurunkan kecenderungan
knocking.
• Menambah group metyl (CH3) pada sisi dari rantai karbon
di tengah menurunkan kecendderungan knocking. Pada
hidrokarbon aliphatic kompon tidak jenuh menunjukan
kecenderungan knocking lebih rendah daripada
hidrokarbon yang jenuh, dengan pengecualian ethylene,
acetylene dan propylene. Jadi acetylene akan knock lebih
mudah daripada etana. Naphene dan aromatic
menunjukan hubungan umum antara struktur molekul
dan kecenderungan knock. Napthene mempunyai
kecenderungan knocking daripada aromatic dengan
susunan sama. Dengan menaikan ikatan rangkap maka
kecenderungan knock menurun. Memperpanjang sisi
samping menaikkan kecenderungan knock dan
mencabang rantai sisi menurunkan kecenderungan
knock. Secara umum untuk hampir semua hidrokarbon,
makin kompak strukturnya dapat dihubungkan dengan
lebih rendahnya kecenderungan untuk berdetonasi. Sifat
knock dari bahan bakar dapat diturunkan dengan
menambah sejumlah sedikit additive (dope).
38
2. Rasio bahan bakar-udara
Akibat yang paling penting dari rasio kompresi adalah waktu
reaksi atau ignition delay. Bila campuran sedikit lebih kaya dari
stoichiometri (10 %) atau F/A = 0,08 ignition lag dari end gas
adalah minimum dan kecepatan dari pengembangan api adalah
maksimum. Akibat yang terdahulu ternyata jauh lebih dominan
dan kecenderungan knocking adalah maksimum. Dengan
membuat campuran menjadi lebih miskin atau lebih kaya dari
F/A = 0,08 kecenderungan knock makin menurun. Campuran
yang terlalu kaya adalah sangat efektif untuk menurunkan atau
menghilangkan knock karena delay nya bertambah lama dan
temperatur kompresi lebih rendah.
3. Kelembaban udara. Kenaikan humidity udara atmosfir
menurunkan kecenderungan knock dengan menurunkan waktu
reaksi..
3.3. Akibat adanya deposit
Pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna akan membuahkan
deposit berupa abu pada dinding ruang bakar, yang kemudian ditimbuni
oleh kotoran dari udara dan tidak bisa dibilas oleh produk tambahan.
Sebagian dari panas pembakaran yang biasanya diserap oleh dinding
silinder akan diserap lebih banyak oleh deposit tadi dan kemudian
diberikan kepada isi baru yang masih segar. Juga bilamana bertambah
tebal deposit ini akan merubah kompresi rasio menjadi lebih tinggi
sehingga kecenderungan knock akan naik bersamaan dengan waktu yang
39
mana bila deposit makin tebal, maka angka oktan bahan bakar yang
dibutuhkan menjadi naik. Ternyata ruang bakar yang dipoles sangat halus
menyebabkan refleksi panas sehingga kecenderungan knock meningkat.
Hubungan kecenderungan dari faktor-faktor di atas ditunjukan pada
Gambar 3.6.
Gambar 3.6. Pengaruh bermacam faktor terhadap intensitas knock
40
IV. Kesimpulan
Dari sudut pandangan efisiensi, mesin harus dirancang untuk rasio kompresi
setinggi mungkin. Tetapi karena adanya detonasi sebagai pembatas. Bahwa
Knocking dapat dikontrol atau bahkan dihentikan dengan cara menaikkan putaran
mesin, retarding spark, mengurangi tekanan inlet manifold dengan trottling,
membuat campuran lebih kaya atau lebih miskin, injeksi air yang akan menaikan
delay period dan menurunkan temperatur api. Perancangan yang dapat mengurangi
knock adalah :
1. Menggunakan kompresi raasio yang lebih rendah
2. Menaikan turbulensi
3. Mengatur kembali letak busi atau menggunakan dua atau lebih busi
4. Rancangan ruang bakar yang sesuai untuk mengurangi panjang nyala api
dan temperatur end gas
5. Penggunaan bahan bakar ber-oktan tinggi dengan cara menambahkan
additive tertentu.
41
Daftar Pustaka
1. Borman, G.L., and Ragland, K.W., Combustion Engineering, 2nd Edition, McGraw-Hill, Inc. 2011.
2. Griffi ths, J.F., and Barnard, J.A., Flame and Combustion, 3rd Edition, Blackie Academic and Professional, 1995.
3. Obert, E.F., Internal Combustion Engine, 3rd Edition, International Textbook
Company, Scranton, Pennsylvania, 1968
42
Teknik Pembakaran danPenomena Knocking
by Anak Agung Adhi Suryawan
Submission date: 28-Jan-2020 09:39AM (UTC+0700)Submission ID: 1247445860File name: PEMBAKARAN-dikompresi.pdf (549.45K)Word count: 7504Character count: 46321
3%SIMILARITY INDEX
%INTERNET SOURCES
3%PUBLICATIONS
%STUDENT PAPERS
1 3%
2 <1%
3 <1%
Teknik Pembakaran dan Penomena KnockingORIGINALITY REPORT
PRIMARY SOURCES
Ika Kusuma Nugraheni, Muhammad MurvikoAlmahul Pratama. "PENGUKURANPENGGUNAAN BAHAN BAKAR BIOFUEL(PREMIUM dan BIOETANOL) TERHADAPKINERJA MESIN BENSIN 4 TAK", JurnalElemen, 2018Publication
Y.S. Nugroho, A.C. McIntosh, B.M. Gibbs."Using the crossing point method to assess theself-heating behavior of indonesian coals",Symposium (International) on Combustion, 1998Publication
N R Banapurmath. "Performance, combustion,and emissions characteristics of a single-cylinder compression ignition engine operatedon ethanol–biodiesel blended fuels",Proceedings of the Institution of MechanicalEngineers Part A Journal of Power and Energy,01/01/2010Publication
Mafruddin Mafruddin, Cipta Gani Segara,
4 <1%
5 <1%
6 <1%
Exclude quotes On
Exclude bibliography On
Exclude matches < 7 words
Untung Surya Dharma. "Kinerja Mesin SepedaMotor dengan Sistem Vaporasi Bahan Bakar",Turbo : Jurnal Program Studi Teknik Mesin,2019Publication
Fu, Jianzhong, Yunfeng Lu, Curt B. Campbell,and Kyriakos D. Papadopoulos. "AcidNeutralization by Marine Cylinder LubricantsInside a Heating Capillary: Strong/Weak-StickCollision Mechanisms", Industrial & EngineeringChemistry Research, 2006.Publication
Agus Harianto, Djoko Sungkono Kawano. "StudiEksperimen Pengaruh Pencampuran Gas HHOpada Gas LPG Secara Premixed TerhadapBentuk Nyala Api Bunsen Burner", ELEMEN :JURNAL TEKNIK MESIN, 2016Publication