Pembakaran merupakan proses atau reaksi oksidasi yang terjadi antara bahan bakar (fuel) dan oksidator sehingga menimbulkan panas atau dapat juga disertai nyala. Bahan bakar adalah senyawa yang dapat melepaskan panas ketika dioksidasi. Bahan bakar secara umum dapat mengandung berbagai unsur seperti karbon (C), hidrogen, nitrogen (N), sulfur (S) dan lain-lain. Bahan bakar dapat diklasifikasikan menurut bentuknya yaitu dapat berupa yaitu bahan bakar bentuk padat, cair dan gas. Bahan bakar padat banyak dipakai di Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) adalah batubara. Bahan bakar cair antara lain kerosin, solar, gasolin dan lainnya. Sedangkan bahan gas antara lain seperti metana, etana, propana, butana dan lainnya. Oksidasi membutuhkan oksigen agar proses pembakaran dapat berlangsung, dapat menggunakan oksigen murni atau juga dapat digunakan udara sekitar sebagai oksidator. Proses pembakaran juga memerlukan sumber nyala atau panas yang cukup untuk terjadi pembakaran. Faktor yang menyebabkan pembakaran disebut dengan segitiga api terdiri dari bahan bakar (fuel), oksigen dan panas.

Proses pembakaran terjadi fenomena antara lain interaksi kimia dan fisika, pelepasan panas dari energi ikatan kimia, proses perpindahan panas dan massa, dan pergerakan fluida hasil reaksi pembakaran. Seperti yang telah dijelaskan bahwa proses pembakaran terjadi karena unsur bahan bahar (fuel) teroksidasi. Proses pembakaran ini akan menghasilkan panas sehingga disebut dengan reaksi eksotermik. Jika oksigen yang digunakan dalam pembakaran berasal dari udara, dimana udara teridi dari 21% oksigen, 78% nitrogen dan sisanya gas lain, maka reaksi pembakaran stokiometri hidrokarbon C_mH_n dapat dituliskan :

Persamaan diatas telah disederhanakan karena cukup sulit untuk memastika proses pembakaran sempurna dengan rasio yang tepat dari udara. Jika pembakaran tidak sempurna, maka persamaan diatas tidak berlaku akan tetapi terbentuk hasil pembakaran tidak sempurna antara lain CO, CO₂, H₂O, hirokarbon tak jenuh, formaldehida sampai karbon.

Dalam proses pembakaran perbandingan campuran bahan bakar dan udara memegang peranan penting dalam menentukan hasil pembakaran. Berberapa metode yang dapat digunakan untuk menghitung rasio campuran antara bahan bakar dan udara antara lain AFR (Air-fuel Ratio), FAR (Fuel-air Ratio), dan Rasio Ekivalen (ϕ). Air-fuel Ratio (AFR) merupakan metode yang paling sering digunakan dalam mendefinisikan perbandingan antara campuran udara dengan bahan bakar. Fuel-air Ratio (FAR) merupakan kebalikan dari AFR yaitu metode yang digunakan untuk mendefinisikan perbandingan antara campuran bahan bakar dengan udara. Rasio ekvalen ( ) merupakan metode yang digunakan untuk mendefinisikan perbandingan antara rasio udara-bahan bakar (AFR) stokiometrik dengan rasio udara-bahan bakar (AFR) aktual atau juga dapat didefinisikan sebagai perbandingan antara rasio bahan bakar-udara (FAR) aktual dengan rasio bahan bakar-udara (FAR) stokiometrik.

• Φ > 1 disebut dengan campuran kaya bahan bakar (fuel-rich mixture) yaitu terdapat kelebihan bahan bakar dalam campuran tersebut
• Φ = 1 merupakan campuran stokiometrik (pembakaran sempurna)
• Φ < 1 disebut dengan campuran miskin bahan bakar (fuel-lean mixture) yaitu terdapat udara berlebih dalam campuran tersebut

Biasanya dalam proses pembakaran, untuk memastikan terjadi pembakaran secara sempurna maka diberikan sedikit udara berlebih atau rasio ekivalen ( ) sedikit lebih besar dari 1. Hal tersebut bertujuan untuk mereaksikan habis bahan bakar. Namun jika udara berlebih ini terlalu banyak akan mengurangi kualitas energi yang dihasilkan pembakaran karena energi panas dapat terserap oleh udara lebih tersebut. Begitu juga jika terdapat bahan bakar berlebih terlalu banyak akan mengurangi kualitas energi dari pembakaran karena pembakaran terjadi tidak sempurna dan energi panas dapat diserap oleh bahan bakar yang tidak terbakar.

            Pembakaran terjadi dalam combustion chamber, contohnya antara lain adalah silinder piston pada engine motor bakar. Pada motor bakar terdapat dua cara penyalaan proses pembakaan bahan bakar yaitu ignition dari percikan busi pada motor bensin sehinga terjadi pembakarandan compression pada motor diesel terjadi pembakaran karena temperatur tinggi akibat kenaikan tekanan silinder akibat kompresi.

Kontributor: Feri Wijarnako (Feri Widjarnako@gmail.com)

By Caesar Wiratama

aeroengineering services merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.

Mesin empat tak atau four stroke engine adalah sebuah mesin pembakaran dalam yang memerlukan empat langkah naik turun piston untuk menghasilkan tenaga. Itu sebabnya disebut empat tak, karena mesin tersebut membutuhkan empat langkah kerja untuk satu kali proses. Empat langkah tersebut meliputi langkah hisap (pemasukan), langkah kompresi, langkah tenaga, dan langkah buang, yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol/crankshaft dan satu putaran camshaft per satu siklus pada mesin bensin atau mesin diesel.

Sekarang ini, mesin pembakaran dalam pada mobil, sepeda motor, truk, pesawat, kapal, alat berat, dan sebagainya, umumnya menggunakan mesin empat tak. Mesin ini kurang responsif dibandingkan mesin dua tak, tetapi mesin ini lebih efisien. Mesin ini juga lebih ramah lingkungan, karena hanya membutuhkan bensin, tidak ada oli samping. Putaran/RPM mesin ini menggunakan tenaga yang relatif lebih rendah dibandingkan mesin dua tak, dan tenaga yang dikeluarkan lebih rendah juga. Mesin ini menggunakan valve/katup yang digerakan oleh camshaft yang tidak dipakai oleh mesin dua tak, sehingga semua siklus yang harus dilakukan lebih sempurna. 

Piston akan bergerak naik turun di dalam silinder mesin. Titik tertinggi yang akan dicapai piston biasa disebut dengan titik mati atas (TMA), sedangkan titik terendahnya disebut titik mati bawah (TMB). Pada prinsipnya agar mesin empat tak dapat menghasilkan tenaga yang optimal, maka harus ada empat komponen, yaitu udara, bahan bakar, kompresi, loncatan bunga api (spark). Berikut adalah langkah proses kerja dari mesin empat tak:

1. Intake (hisap/pemasukan)

Piston bergerak dari TMA menuju TMB, disini posisi katup/klep masuk (intake) terbuka dan       katup keluar (exhaust) tertutup untuk menciptakan keadaan vacuum di dalam silinder mesin,        yang mengakibatkan udara (mesin diesel) atau gas (sebagian besar mesin bensin) yang             sudah dikabutkan terhisap masuk ke dalam ruang bakar melalui katup intake. Tenaga mesin         yang diproduksi tergantung dari seberapa banyak jumlah bahan bakar yang terbakar selama     proses pembakaran.

2. Compression (kompresi)

Langkah kompresi dimulai ketika piston mulai bergerak ke TMA dari TMB, disini posisi katup intake dan exhaustakan menutup, sehingga campuran udara-bahan bakar terperangkap di dalam silinder dan terkompresi (termampatkan) hingga beberapa saat sebelum piston sampai pada posisi TMA, waktu penyalaan (timing ignition) terjadi (pada mesin bensin berupa busi yang menyala, sedangkan pada mesin diesel berupa semprotan (suntikan) bahan bakar). Tujuan dari langkah ini, yaitu untuk meningkatkan temperatur, sehingga campuran udara dan juga bahan bakar dapat bersenyawa. 

3. Power (tenaga)

Dimulai dengan menyalakan busi yang terletak di kepala silinder yang menyebabkan percikan bunga api (spark) untuk membakar campuran udara-bahan bakar. Dalam waktu yang singkat, campuran udara-bahan bakar mengembang dan meledak, sehingga menciptakan tekanan yang sangat tinggi terhadap piston. Tekanan inilah yang mendorong piston ke bawah menuju TMB dan menggerakan crankshaft yang akan memutar fly wheel yang pada akhirnya akan memutar gear untuk menggerakkan roda kendaraan.

4. Exhaust (buang)

            Pada langkah ini, posisi katup exhaust terbuka dan katup intake tertutup, lalu piston naik menuju TMA karena dorongan balik dari crankshaft yang mengakibatkan sebagian gas           buang atau sisa pembakaran terdorong menuju katup exhaust untuk diteruskan ke lubang             pembuangan atau exhaust port. Ketika piston mulai mendekati TMA, maka katup buang akan menutup dan katup intake akan membuka. Pembukaan katup intake ini adalah awal siklus baru. Siklus ini terjadi di silinder mesin dan akan berulang selama mesin berjalan.

Untuk mempelajari artikel lain seputar mekanika fluida, klik di sini.

Kontributor: Feri Wijanarko

By Caesar Wiratama

aeroengineering services merupakan jasa layanan dibawah CV. Markom dengan berbagai jenis solusi, mulai dari drafting CAD, pembuatan animasi, simulasi aliran dengan CFD dan simulasi struktur dengan FEA.