Analisis Pembakaran Normal dan Abnormal pada Motor Bensin

Apa itu pembakaran? Mengapa pembakaran begitu penting? Bagaimana terjadinya proses pembakaran?
Video ini menjelaskan tentang Analisis Pembakaran Normal dan Abnormal pada Motor Bensin.

PERTIMBANGAN DASAR
Proses pembakaran adalah reaksi kimia yang terjadi antara bahan bakar hidrokarbon dan oksigen dari udara, yang berlanjut hingga mencapai pada titik kesetimbangan kimia. Dapat dikatakan, secara sederhana bahan bakar hidrokarbon telah teroksidasi, atau secara khusus dikatakan telah terbakar (karena oksidasi sangatlah cepat) menjadi karbon dioksida dan air, yang mana ini merupakan oksida dari karbon dan hidrogen. Kalor yang besar juga bangkit pada saat reaksi kimia ini, yang menyebabkan gas yang ada dalam silinder mengembang dan memberi tekanan udara pada silinder, sedemikian hingga torak terdorong dari ruang bakar pada saat langkah usaha.
Urutan proses yang terjadi dalam motor bensin empat langkah yaitu hisap-kompresi-usaha-buang, tetapi dalam beberapa jenis publikasi lainnya disebutkan bahwa
langkah usaha disebut sebagai langkah ledakan (explosion stroke). Pada motor yang sesungguhnya, bagaimanapun, konversi energi terjadi di dalam ruang bakar pada saat urutan yang tepat. Dalam konteks ini, pertama-tama kita harus mengenal bahwa proses pembakaran dapat terjadi dalam dua bentuk dasar, yang dalam Physical Chemistry diklasifikasikan menjadi:

Pembakaran Spontan (Spontaneous combustion)
Proses pembakaran ini terjadi tidak dikarenakan sebab eksternal, tetapi terjadi secara alamiah sebagai akibat reaksi kimia yang secara simultan terjadi di seluruh campuran gas yang mudah terbakar, dan dipercepat oleh perkembangan kalor hingga penyelesaian proses pembakaran.

Pembakaran Progresif (Progressive combustion)
Proses pembakaran ini terjadi dikarenakan sebab eksternal, dalam kasus khusus, sebuah percikan bunga api dari sistem pengapian, dan terjadi sebagai nyala api muka (flame front) yang meradiasi dari inti pembakaran (combustible nucleus) yang mengembang di sekeliling bunga api. Saat pengapian berkembang, bagian dari campuran yang tak terbakar dan yang terbakar terpisah oleh zona reaksi (reaction zone) dalam nyala api muka, nyala api mendingin dan melambat saat mendekati dinding ruang bakar, dan akhirnya menjadi padam.



PEMBAKARAN NORMAL DAN PEMBAKARAN ABNORMAL
Dalam pertimbangan lebih lanjut, proses pembakaran yang terjadi pada motor bensin yang mana secara normalnya bersifat progresif, kita harus selalu ingat bahwa pembahasan ini adalah mengenai gejala yang terjadi hanya dalam beberapa milidetik. Secara bertentangan, hal itu dapat dikatakan mungkin beberapa lama waktu yang dicurahkan oleh periset ilmiah untuk menyelidiki proses pembakaran dan juga rancangan ruang bakar dibandingkan dengan aspek lainnya pada kerja dari motor otomotif. Alasan untuk ini secara mendasar ada tiga, yaitu detonasi (detonation), kekasaran (roughness), dan polusi (pollution).

Detonasi
Untuk motor dengan efisiensi tinggi yang beroperasi pada kecepatan tinggi, maka jelas bahwa tingkat kecepatan pembakaran muatan yang dapat terbakar sangatlah tinggi. Seraya dengan campuran bahan bakar manapun, maka diharuskan adanya batas dimana tingkat kecepatan pembakaran dapat meningkat, melebihi dimana proses pembakaran terjadi, sebuah muatan secara tiba-tiba menghasilkan detonasi. Dalam pembakaran normal, pembakaran berkembang dalam proses yang tetap (steady) dan keseragaman nyala api muka menempuh dan melewati ruang bakar dalam waktu kira-kira 20-40 m/s, yang mana ini disebut sebagai kecepatan pembakaran (combustion speed). Dengan detonasi, nyala api muka dengan cara yang sama melaju di jarak lintas ruang bakar, tetapi sekitar sepuluh kali lebih cepat, dan sebelum hal itu dapat menyelesaikan perambatannya, gas yang belum terbakar di depannya menjadi terpanaskan oleh keseluruhan peningkatan tekanan dalam ruang bakar yang temperatur pembakaran dengan sendirinya (self-ignition) telah terlewati. Ketika ini terjadi, maka kondisi pembakaran spontan tercipta, mengakibatkan adanya gelombang detonasi tekanan tinggi yang melewati ruang bakar pada kecepatan yang sebanding dengan suaranya. Sungguh dimengerti, ini menghasilkan goncangan yang memuat pada struktur motor dan komponennya yang cukup untuk membangkitkan suara mengetuk (knocking) atau bergerigi (pinking) yang cukup jelas terdengar. Jika pembakaran abnormal ini dibiarkan berlangsung, hal ini akan menyebabkan kerusakan berat bagi motor, seperti melelehnya lubang pada mahkota torak.
Sejak awal tahun 1920an, pengendalian detonasi telah dikembangkan dalam beberapa cara, terutama oleh percobaan dengan bentuk ruang bakar yang berbeda, semakin efisiennya susunan pendinginan motor, dan pembuatan bahanbakar yang lebih tahan ketukan (knock). Tahanan ketukan (knock resistance) dari sebuah bensin didefinsikan dengan istilah 'tingkatan oktan (octane rating)'. Lebih tinggi tingkatan oktan menandakan tahanan yang lebih tinggi terhadap ketukan motor (engine knocking). Terdapat dua prosedur tes yang berbeda untuk menentukan tingkatan oktan, yaitu Metode Penelitian yang disebut Research Octane Number (RON) dan Metode Motor yang disebut Motor Octane Number (MON). Pada dasarnya, metode pertama menyatakan tingkatan ketahanan terhadap ketukan motor saat akselerasi, sedangkan yang kedua menyatakan tingkatan yang berhubungan dengan putaran tinggi. Angka oktan dari bensin ditetapkan dengan mempertemukan ketahanan ketukannya dalam motor penguji terhadap bahan bakar referansi. Ini terdiri dari campuran iso-oktana tahanan ketukan tinggi dan n-heptana tahanan ketukan rendah. Angka oktan aktual pada bensin selanjutnya dicocokkan kepada presentase menurut volume iso-oktana dalam bahan bakar referansi, yang menunjukkan kecenderungan-ketukan (knock-proneness) yang sama selama bensin digunakan dalam motor yang sama berputar pada kondisi terkendali yang sama.
Dalam penggunaan modern, ketukan pembakaran biasanya dimonitor oleh sistem kontrol ketukan (knock control system), yang terdiri dari sensor getar yang dibantu oleh sistem manajemen kontrol pengapian elektronik. Berhubungan dengan sinyal dari sensor ketukan menuju sinyal posisi dari sensor poros engkol, maka akan memungkinkan untuk memperlambat waktu pengapian untuk silinder manapun hingga ketukan menghilang. Sensor ketukan (knock sensor) dipasangkan pada blok silinder antara sepasang silinder, dimana getaran yang terbaik untuk terdeteksi karena diperjelas oleh dinding yang tidak terlalu kokoh pada mantel pendingin. Proses tersebut mengkonversi getaran mekanik menjadi sinyal elektrik dan disetel untuk dapat mendeteksi getaran pada jangkauan frekuensi 6-8 kHz (6000-8000 cycles/s). Sistem kontrol ketukan selanjutnya membuahkan kontribusi lebih lanjut untuk menghasilkan waktu pengapian yang lebih stabil dan juga menghasilkan efek bermanfaat pada bekerjanya motor dan kontrol gas buang.

Kekasaran
Detonasi dan kekasaran biasanya disebut sebagai dua keburukan pada motor bensin otomotif. Alasannya adalah mengingat lebih baiknya pengendalian terhadap detonasi memungkinkan penggunaan rasio kompresi yang lebih tinggi untuk meningkatkan efisiensi termal, hal itu juga dapat menghasilkan tingkatan pengembangan tekanan yang maksimum selama pembakaran terjadi yang mengakibatkan getaran yanng tak diharapkan pada struktur motor dan mekanismenya, terutama getaran yang membengkokkan (bending vibration) pada poros engkol. Sekalipun masalah operasi kasar ini berasal dari proses pembakaran, solusi praktisnya biasanya berada pada penggunaan kekakuan (rigidity) yang lebih baik pada komponen motornya.

Polusi
Selama proses pembakaran, bahan bakar hidrokarbon terbakar menjadi karbon dioksida dan air. Tetapi nyatanya keadaan teratur dan relatif tidak berbahaya ini tidaklah terjadi pada praktisnya. Bukti dari kenyataan ini berada tidak hanya pada bau tak sedap dari gas buang, tetapi juga gas buang ini mengandung karbon monoksida yang beracun. Kemunculannya dalam bentuk senyawa bahan bakar selain hidrokarbon, dan juga nyatanya proses pembakaran tersebut mungkin hanya terselesaikan sebagian, yang menghasilkan emisi gas buang yang berbahaya. Perhatian lebih lanjut mengenai lingkungan yakni terhadap karbon dioksida, yang mana meskipun tidak beracun, tetapi merupakan kontributor tak diharapkan terhadap pemanasan global. Kalor yang diserap dari matahari tidak dapat lepas dari atmosfir dikarenakan adanya kumpulan karbon dioksida.