UDARA (AIR)

PEMBAKARAN SEMPURNA DAN TIDAK SEMPURNA 

Pada engine, untuk mengasilkan power (expansion), sejumlah fuel yang diinjeksikan kedalam cylinder dibakar. Untuk proses pembakaran fuel ini diperlukan sejumlah oxygen (O2), yang diambil dari udara disekelilingnya. Oxigen yang terkandung didalam udara hanya 21% dari volume udara.

KOMPOSISI UDARA

Bila fuel dan oxygen dimasukan bersama didalam suatu ruangan dengan temperatur tinggi dan tekanan tinggi, molekul-molekul fuel terlepas dari gabungannya dan mengurai menjadi atom-atom carbon (C) dan atom-atom hydrogen (H). Kemudian atom-atom dengan cepat bereaksi dengan atom-atom oxygen (O2) membentuk gas carbon dioksida (CO2) dan air H2O (uap air pada temperatur tinggi).
CnH2n + 3/2 nO2   -   nCO2 + nH2O.

Reaksi ini dinamakan pembakaran (combustion). Jika semua molekul carbon dan hydrogen didalam fuel bereaksi dengan oxygen, proses ini dinamakan pembakaran sempurna (complete combustion).

Namun, jika ada kekurangan oxygen , atau molekul-molekul carbon gagal bertemu dengan molekul-molekul oxygen sebelum pembakaran sempurna terjadi, terbentuk carbon monoksida (CO) daripada carbondioksida (CO2), atau molekul-molekul carbon (C) tetap bebas dan tidak bergabung (bereaksi) dengan molekul-molekul oxygen. Pembakaran seperti ini disebut pembakaran tidak sempurna (incomplete combustion).


Gas carbon dioksida dan uap air masing-masing membentuk suatu ikatan molekul yang kuat yang tidak membahayakan manusia, tetapi carbon monoksida merupakan suatu ikatan molekul tidak stabil, yang kemudian bereaksi dengan oxygen untuk membentuk gas carbon dioksida, sehingga hal ini sangat membahayakan. Gas carbon monoksida ini tidak berwarna dan tidak berbau, sehingga tidak bisa dilihat, sekalipun ada dalam gas buang (exhaust).

Molekul-molekul carbon bebas muncul dalambentuk partikel-partikel carbon (soot), danbercampur dengan gas buang membentukasap hitam (black smoke), sehinggamengotori keadaan udara sekitarnya. Salahsatu keunggulan dari engine diesel adalahpembentukan gas carbon monoksida lebihkecil dibanding dengan engine gasoline.
Jadi, untuk menjamin pembakaran sempurnadari fuel, perlu mengetahui suatu jumlahoxygen yang cocok untuk pembakaran fueltadi, dengan kata lain, kita memerlukanudara yang cukup (termasuk didalamnyaoxygen).
Banyaknya udara minimum yang dibutuhkanuntuk pembakaran suatu jumlah fueldengan sempurna disebut udara teoritis(theoretical air). Jika memungkinkan untukmendapatkan pembakaran sempurna darifuel dengan theoretical air, semua fuel yangdisupply keruang bakar harus menjadicarbon dioksida dan uap air; tidak adacarbon monoksida atau carbon bebas, dansemua oxygen yang disupply kedalam ruangbakarpun digunakan dengan sempurna,sehingga tidak ada oxygen yang tersisa.

Untuk mendapatkan suatu pembakaran yang sempurna dari 1 gram fuel, hasil kalkulasi darireaksi pembakaran bahwa diperlukan udara sebanyak 14.5 gram. Jadi, theoretical air adalah 14.5 gram untuk pembakaran setiap 1 gram fuel. Bila dikonversikan kedalam volume udara,pada sea level, sama dengan 12 liter udara.

EXCESS AIR RATIO
Pada proses pembakaran dalam engine diesel, untuk membakar fuel sempurna secara theoritis diperlukan udara seberat 14.5 kali berat fuel. Tetapi, jika hanya theoretical air yang dimasukan keruang bakar, molekul-molekul fuel tidak punya cukup waktu untuk bertemu oxygen sebelum terjadi pembakaran sempurna karena waktu pembakaran sangat singkat (pendek). Sehingga akan menghasilkan pembakaran tidak sempurna. (Sebagai contoh, jika kecepatan engine 1800 rpm, waktu untuk satu cycle pembakaran mendekati 1/60 detik).
Untuk mencegah pembakaran tidak sempurna seperti ini, udara yang diperlukan harus lebih banyak daripada theoretical air. Excess air ratio menunjukan berapa kali jumlah udara actual yang disupply keruang bakar lebih besar dari pada theoretical air. Sebagai contoh, jika 18 liter udara yang disupply untuk 1 gram fuel, dan theoretical air adalah 14.5 gram, excess air ratio adalah 1.5. Pada suatu engine, ukuran dari cylinder adalah tetap, sehingga jumlah udara yang dapat masuk dengan sendirinya adalah tetap. Dengan demikian hubungan antara jumlah fuel yang diinjeksikan dan excess air ratio adalah sebagai berikut.
• Jika LEBIH fuel yang diinjeksikan, excess air ratioi jadi LEBIH KECIL
• Jika KURANG fuel yang diinjeksikan, excess air ratio jadi LEBIH BESAR


Dengan kata lain, dalam prakteknya untuk mendapatkan horsepower yang efektif pada engine diesel untuk mesin konstruksi, udara yang diperlukan 22 sampai 29 kali lebih besar dari berat fuel yang diinjeksikan keruang bakar pada keadaan full load. Atau, pada beban engine maksimum (maximum torque) berat udara yang diperlukan adalah 1.5 sampai 2.0 kali berat udara teoritis yang diperlukan untuk membakar sejumlah berat fuel maksimum yang diinjeksikan kesilinder pembakaran.
Jadi,

Juga,excess air sangat diperlukan untuk kerja engine, tujuannya adalah:
• Pembakaran fuel selama engine bekerja tetap sempurna, sehingga menghasilkan power yang optimum pada semua kondisi kerja engine.
• Excess air menyerap panas hasil pembakaran juga,sehingga temperatur exhaust gas relative rendah(sebagai peredam).
Excess Air Ratio bertambah kecil akan mengakibatkan temperatur gas exhaust bertambah naik, dan akan mencapai peak temperatur kalau Excess Air Ratio mendekati 1, kalau hal demikian berlangsung terus menerus menyebabkan terjadi problem:
• Cylinder head cracks, valve melting,
• Piston melting atau crack, piston dan liner lecet (peeling),
• Turbocharger membara / cracks,
• Overheat pada lube system dan cooling system,
• Cepat terjadi soot, dll.

Excess Air Ratio terlalu kecil disebabkan karena:

1. Problem pada AIR INTAKE SYSTEM
• Air restriction dari Air Cleaner terlalu besar (air cleaner buntu); batas air restriction maximum pada sea level adalah 25 inchH2O (650 mmH2O).
• Turbocharger rusak atau ada kebocoran pada saluran udara antara turbochager dan intake manifold.
• Valve timing.
2. Problem pada FUEL SYSTEM
• Quantity bahan bakar yang diinjeksikan melebihi batas maximum standarnya (over fueling), akan terjadi power cenderung lebih tinggi selama air restriction masih rendah (air cleaner bersih), jika air restriction makin besar selama engine bekerja temperatur gas buang makin tinggi (excess air ratio makin rendah) dan seandainya air cleaner makin kotor akan terjadi pembakaran tidak sempurna sehingga kabut fuel hasil injeksi berubah menjadi partikel-partikel carbon/ jelaga (soot). Jadi, bila overfueling kemungkinan terjadinya temperatur exhaust gas terlalu tinggi dan soot akan terjadi lebih cepat dibandingkan dengan kondisi fuel supply normal, walaupun air restriction dari air cleaner masih dibawah 25 inch H2O.
Akibat hal ini, banyak problem-problem engine seperti cylinder head retak, exhaust manifold/turbocharger membara/retak, valve melting,dll. overheat pada lube dan cooling system, penaikan viskositas oli karena bercampur dengan soot (n-pentane insoluble naik) sehingga pelumasan tidak sempurna.
• Timing injection kurang tepat.

HEAT BALANCE DAN EMISSIONS

Reaksi pembakaran fuel didalam ruang bakar:
• Pembakaran sempurna

• Pembakaran tidak sempurna (kurang oxygen)
CnH2n + 9/8n O2   -   1/4nC+ 1/4nCO + 1/2nCO2 + nH2O
#Pada kondisi reaksi pembakaran tidak sempurna juga terjadi reaksi sulfur dengan oxygen,menghasilkan asam sulfat yang korosif.
#Atom bebas carbon (C) berupa partikel-partikel hitam (black smoke)
#Gas carbon monoksida (CO) berbahaya
• Kalau temperatur pembakaran terlalu tinggi selain reaksi diatas, gas N2 yang tekandung didalam udara (±78%) bereaksi dengan oxygen membentuk gas-gas NOx, NO dan NO2. Gas Nox dan NO juga berbahaya bagi kesehatan.
• Untuk menghindari hal diatas udara yang disupply keruang bakar harus lebih besar dari berat udara teoritis. (Excess air ratio 1.5 – 2.0, pada full load), dengan menjaga restiction dari air cleaner maksimum 25 inch H2O (635 mm H2O).