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