BAB II TEORI MESIN BENSIN 4
2.6 Pembakaran
Pembakaran diawali dengan loncatan api busi pada akhir pemampatan. Pada keadaan biasa kita mendapatkan pembakaran teratur dimana selalu terdapat dua tahapan ialah bagian yang tidak terbakar dan bagian yang terbakar, keduanya dibatasi oleh api pembakaran (fron api). Suhu pembakarannya berkisar antara 2100 K sampai 2500 K.
Pada pembakaran teratur yang lamanya kira-kira tiga milidetik (0,003 s), terjadi juga perjalanan tekanan teratur diatas piston dan dalam beberapa kasus, suhu dari gas yang belum terbakar menjadi terlalu tinggi sehingga dapat menyebabkan pembakaran sendiri dimana sebagian dari isi silinder terbakar dalam waktu yang sangat singkat (Gambar 2.14). Disebabkan oleh singkatnya pembakaran, tekanan dalam seluruh ruang bakar tidak sama sehingga terjadi gangguan keseimbangan, dengan tekanan tinggi setempat.
Pembakaran yang tidak teratur mengakibatkan pembebanan terlalu berat dari mekanismenya. Gerakan dari gas terhadap logamnya memberi suara seperti pukulan yang disebut detonasi. Penyebab utama detonasi adalah suhu yang terlalu tinggi dari gas yang dimanfaatkan atau ruang bakar tidak memenuhi syarat.
Detonasi yang berulang-ulang dalam waktu yang lama dapat merusak bagian ruang bakar, terutama bagian tepi kepala torak tempat detonasi terjadi. Di samping itu detonasi mengakibatkan bagian ruang bakar (misalnya busi atau kerak
campuran bahan bakar dan udara sebelum waktunya. Penyalaan yang terlalu awal ini dapat mengurangi daya dan efisiensi mesin, sedangkan tekanan maksimum gas pembakaran juga akan bertambah tinggi.
Detonasi dapat dicegah dengan beberapa cara yaitu :
1. Mengurangi tekanan dan temperatur bahan bakar dan udara yang masuk ke ruang bakar
2. Mengurangi perbandingan kompresi 3. Memperlambat saat penyalaan 4. Mempertinggi angka oktan bensin 5. Pendinginan gas yang belum terbakar
6. Desain ruang bakar yang sesuai dan kompak sehingga tidak terjadi pembakaran sempurna..
7. Busi ditempatkan di pusat ruang bakar yaitu di antara katup buang (bagian yang panas) dan katup isap (tempat kemungkinan besar terdapat campuran yang kaya)
8. Menaikkan kecepatan torak atau putaran poros engkol untuk memperoleh arus turbulen pada campuran di dalam silinder yang mempercepat rambatan nyala api
9. Saluran buang dibuat relatif pendek sehingga bahaya terbakar sendiri akan berkurang. Dalam hal ini gas yang belum terbakar tidak ada waktu untuk menaikkan suhunya, karena bersamaan dengan itu api telah memasuki seluruh ruang bakar. Keadaan menguntungkan ini terjadi bila busi dipasang di pusat ruang bakar, bila bentuk ruang bakarnya berbentuk setengah bulat.
Gambar 2.14 Perjalanan pembakaran normal (a-d) dan selama pembakaran terjadi pembakaran sendiri (e-h)
( Sumber : Berenschot, Hal 60 )
2.6.1Proses Pembakaran
Proses pembakaran dikatakan normal apabila pembakaran didalam silinder terjadi karena nyala api ditimbulkan oleh percikan bunga-bunga api oleh busi, dengan bunga api ini proses terbakarnya bahan bakar berlangsung hingga seluruh bahan bakar yang ada di dalam silinder terbakar habis dengan kecepatan yang relatif konstan. Proses pembakaran tidak akan terjadi bila tidak ada oksigen di dalam silinder. Baik buruknya proses pembakaran ditentukan juga oleh banyak/sedikitnya jumlah oksigen yang ada di dalam silinder. Apabila campuran bahan bakar dan udara yang masuk ke dalam silinder sesuai antara jumlah hidrokarbon dengan jumlah oksigen (campurannya homogen) maka dimungkinkan terjadinya pembakaran sempurna.
Bahan bakar yang dibakar diambil hidrokarbon-nya ( ) dan jika pembakarannya sempurna maka hasil pembakarannya menjadi dan . Jadi kalau ditulis dalam persamaan menjadi :
18 8 H C + 2 CO H2O + 18 8H C O2 + N2 → CO2 + H2O+ N2
Jika pembakarannya sempurna maka jumlah semua bagian kiri sama dengan jumlah bagian kanan. Maka untuk membalans semua harus tereaksi habis sehingga :
8
C → 8CO2
Sedangkan balans hidrogennya :
18
H → 9H2O
Karena reaksinya dengan oksigen maka balans oksigen menjadi :
2 1
12 O2 ← 8CO2 + 9H2O
Karena kandungan nitrogen diudara setiap satu mole oksigen akan bersamaan dengan 3,76 mole nitrogen, maka di dalam proses ini terdapat Nitrogen juga yang jumlah balansnya adalah :
( )
22
1 3,76
12 N → 47N2
Sehingga persamaan kimia pembakaran yang sempurna ini menjadi :
2 2 2 2 2 2 1 18 8H 12 O 47N 8CO 9H O 47N C + + → + +
Persamaan diatas menunjukkan persamaan dari proses pembakaran dimana hidrokarbon dapat bereaksi seluruhnya menjadi dan yang sering disebut dengan pembakaran sempurna. Pada persamaan diatas ditunjukkan juga jumlah udara yang dibutuhkan untuk menjamin pembakaran sempurna.
2
Di dalam kenyataannya, proses pembakaran terjadi dengan campuran bahan bakar dengan udara tidak seperti campuran teoritis melainkan terlalu banyak udara atau kekurangan udara dari kebutuhan teoritis. Di bawah ini contoh reaksi kimia dari pembakaran dimana jumlah udaranya 25% lebih banyak dari jumlah teoritisnya : 2 2 2 2 2 2 2 1 18 8 (47) 8 9 3,12 58,75 4 5 ) 12 ( 4 5 N O O H CO N O H C + + → + +
Dari persamaan diatas tampak bahwa kelebihan udara yang diberikan pada pembakaran akan tetap keluar sebagai udara yang tidak berubah dan tidak mempengaruhi pembakaran dalam arti hidrokarbon dapat berubah menjadi karbon dioksida dan air.
2.6.2 Bahan Bakar
Sampai saat ini bahan bakar yang dipakai pada mesin bensin adalah bensin, tetapi ada beberapa mesin yang menggunakan alkohol, LPG atau bahan bakar lainnya. Di sini hanya menjelaskan bahan bakar bensin secara umum.
a. Sifat utama bensin
Bensin mengandung hidrokarbon hasil sulingan minyak mentah. Bensin mengandung gas yang mudah terbakar, umumnya bahan bakar ini digunakan untuk mesin dengan pengapian busi. Sifat yang dimiliki bensin sebagai berikut : 1. Mudah menguap pada temperatur normal
2. Tidak berwarna, tembus pandang dan berbau 3. Mempunyai titik nyala rendah (-10º sampai -15ºC) 4. Mempunyai berat jenis yang rendah (0,60 sampai 0,78) 5. Dapat melarutkan oli dan karet
7. Sedikit meninggalkan carbon setelah dibakar. b. Syarat-syarat bensin
Kualitas berikut ini diperlukan oleh bensin untuk memberikan kerja mesin yang baik.
1. Mudah terbakar
Pembakaran serentak di dalam ruang bakar dengan sedikit knocking. 2. Mudah menguap
Bensin harus mampu membentuk uap dengan mudah untuk memberikan campuran udara – bahan bakar dengan tepat saat menghidupkan mesin yang masih dingin.
3. Tidak beroksidasi dan bersifat pembersih
Sedikit perubahan kualitas dan perubahan bentuk selama disimpan. Selain itu juga bensin harus mencegah pengendapan pada sistem intake.
c. Nilai oktan
Nilai oktan (octan number) atau tingkatan dari bahan bakar adalah mengukur bahan bakar bensin tehadap anti-knock characteristic. Bensin dengan nilai oktan tinggi akan tahan terhadap timbulnya engine knocking dibanding dengan nilai oktan yang rendah.
2.6.2 Proses Penyalaan
Untuk membangkitkan loncatan listrik antara kedua elektroda busi diperlukan perbedaan tegangan yang cukup besar. Besarnya tegangan tergantung pada beberapa faktor berikut :
1. Perbandingan campuran bahan bakar dan udara 2. Kepadatan campuran bahan bakar dan udara 3. Jarak antara kedua elektroda serta bentuk elektroda
4. Jumlah molekul campuran yang terdapat diantara kedua elektroda 5. Temperatur campuran dan kondisi operasi yang lain.
Perbandingan campuran bahan bakar dan udara berkisar antara 0,06-0,12. Untuk menyalakan campuran bahan bakar dan udara yang miskin diperlukan perbedaan tegangan yang relatif lebih besar daripada untuk campuran kaya.
Pada umumnya disediakan tegangan yang lebih besar untuk menjamin agar selalu terjadi loncatan api listrik di dalam segala keadaan, misalnya antara 10.000-20.000 volt. Hal ini mengingat juga akan kondisi operasi yang dapat berubah sebagai akibat keausan mesin yang tidak dapat dihindari. Makin padat campuran bahan bakar dan udara maka tegangan yang diperlukan akan makin tinggi untuk jarak elektroda yang sama. Karena itu diperlukan tegangan yang lebih tinggi bagi motor dengan perbandingan kompresi yang lebih besar. Terutama apabila tekanan campuran yang masuk silinder itu tinggi dan loncatan listrik ditentukan pada waktu torak berada lebih dekat dengan TMA.
Makin besar jarak elektroda busi maka akan semakin besar pula perbedaan tegangan yang diperlukan untuk memperoleh intensitas api listrik yang sama. Jumlah minimum molekul yang harus ada di antara kedua elektroda pada waktu terjadi loncatan listrik sangat menentukan apakah penyalaan dapat berlangsung sebaik-baiknya.
Karena jumlah molekul sangat tergantung pada perbandingan campuran jumah gas sisa, temperatur, dan kondisi operasi yang lain, sehingga jumlahnya dapat berubah-ubah. Dengan memperbesar jarak elektroda diharapkan jumlah minimum itu dapat dicapai walaupun keadaan operasinya berubah-ubah. Tetapi jarak elektroda juga menentukan besarnya tegangan. Dan tegangan yang terlalu
tinggi tidak menguntungkan. Tegangan yang tinggi memerlukan kabel listrik yang diisolasi secara cermat sehingga harganya menjadi lebih mahal.
Intensitas loncatan api listrik juga ditentukan oleh jarak antara kedua elektroda busi. Jarak elektroda yang optimum adalah antara 0,6-0,8 mm. Selain itu penentuan tempat busi di dalam ruang bakar juga penting. Loncatan api listrik tidak boleh terjadi di tempat lain kecuali di antara kedua elektroda busi. Supaya selalu terdapat campuran bahan bakar dan udara yang mudah terbakar di antara kedua elektroda, tempat yang terbaik untuk busi ialah dekat katup isap. Tetapi jika ditinjau dari kemungkinan terjadinya detonasi, sebaiknya busi ditempatkan pada bagian yang terpanas, misalnya dekat katup buang.
Pada sistem penyalaan konvenional (penyalaan dengan menggunakan platina) terdiri dari sebuah baterai sebagai sumber energi listrik, kontak penyalaan (platina), kumparan penyalaan (koil), tahanan distributor (yang di dalamnya terdapat pemutus arus, kam, rotor dan alat pengatur saat penyalaan), busi, serta kabel-kabel tegangan tinggi dan rendah. Selain penyalaan secara konvensional, ada yang menggunakan sistem penyalaan elektronik.
2.7 Sistem Pengisian dan Pembuangan
