faktor pertama seringkali membingungkan dan saling dikaitkan, sedang pada kenyataannya mereka menilai tiga hal yang sama sekali berbeda. Tidak ada keterkaitan secara alamiah atara ketiganya.
RUMUSAN UMUM
Bahan Bakar Berat (solar, jet): Volatilitas rendah, ketahanan terhadap knocking rendah, energi tinggi per volume.
Bahan Bakar Ringan (Gasolin) : Volatilitas tinggi, ketahanan terhadap knocking tinggi, energi rendah per volume.
Agar dicatat bahwa gasolin, sebagiannya menghasilkan energi yang relatife rendah per gallon dengan kenyataan bahwa berat satu gallon bensin adalah lebih rendah kurang lebih 15% dibandingkan satu gallon bahan bakar jet.
Tingkat oktan tidak ada korelasinya dengan tenaga mesin atau efficiensi.
Adalah lebih banyak energi potensial dalam satu gallon bahan bakar solar dibandingkan dalam satu gallon gasoline walaupun bahan bakar solar memiliki nilai oktane yang jauh lebih rendah.
BAGAIMANA TINGKAT OKTAN SUATU BAHAN BAKAR DITENTUKAN?
Pertama adalah pastikan dahulu pasokan bahan bakar yang cukup yang anda inginkan untuk di uji. Kemudian dapatkan sejumlah heptane (dibuat dari getah pinus) dan sejumlah iso-oktane (turunan dari petrolium C8 H18). Disepakati secara umum bahwa ISO-Oktane memiliki peringkat oktan 100 sedangkan Heptane memiliki peringkat oktan 0.
Kemudian hubungi Waukesha Motors dan pesan satu Mesin penguji ASTM-CFR (Harganya sekitar USD250.000) mesin satu silinder ini memiliki karburator dengan empat buah mangkuk bahan bakar dan cylinder head yang dapat digerakkan untuk merubah perbandingan kompresi antara 4:1 hingga 18: 1 sambil mesin bekerja.
Isi penuh ASTM-CFR dengan bahan bakar yang akan ditentukan peringkat oktannya, dan untuk bahan bakar otomotiv, lakukan dua protokol pengujian menggunakan ASTM, satu protokol disebut protokol motor dan yang lain disebut protokol riset. Anda variasikan perbandingan kompresi mesin sampai didapatkan kondisi knocking, kemudian dicatat semua parameter yang berlaku.
Setelah itu lakukan kembali pengujian dengan bahan bakar acuan yang dibuat dari variasi pencampuran heptane dan iso-octane pada mesin ASTM-CFR, variasikan terus perbandingan heptane dan iso-octane sampai didapat campuran yang bersifat sama (terhadap knocking) dengan bahan bakar yang diuji sebelumnya. Setelah didapatkan hitunglah berapa jumlah heptane yang telah dicampurkan pada iso-octane untuk mendapatkan campuran yang mengalami knocking pada mesin ASTM-CFR, sama seperti bahan bakar yang diuji sebelumnya. Misalkan didapatkan 10% heptane pada 90% iso-octane, maka bilangan oktane bahan bakar yang diuji adalah 90.
Bagaimana protokol motor dan protokol riset berbeda? Kebanyakan pada parameter inputnya. Pada protokol motor (ASTM D27000-92) Suhu udara masuk dijaga pada 38C, waktu penyalaan bervariasi terhadap perbandingan kompresi, antara 14 dan 26 BTDC, dan mesin berputar pada 900 RPM. Pada protokol riset (ASTM D2699-92) suhu udara masuk bervariasi antara 20 C dan 52 C (tergantung tekanan barometer) waktu penyalaan ditetapkan pada 13 BTDC dan mesin berputar pada 600 RPM. Metode motor dikembangkan pada tahun 1920an, adalah metode pemeringkat oktan pertama yang dikenal. Setelah itu banyak lagi metode yang diperkenalkan selama 1940-an sampai 1960-an, satu diantaranya metode riset, didapati memiliki korelasi yang lebih dekat dengan bahan bakar dan kendaraan yang ada kemudian.
Bagaimanapun pada awal 1970-an mobil-mobil yang berlari pada kecepatan tinggi di jalan, seperti Autobahn di Jerman, mulai mengalami kerusakan akibat knocking pada kecepatan tinggi. Kemudian disadari bahwa perbedaan peringkat antara metode motor dan metode riset dikenal sebagai kepekaan bahan bakar, juga sangat penting.
Semakin besar kepekaan suatu bahan bakar, semakin buruk kinerjanya dipandang dari sisi knocking, dalam berbagai persyaratan penggunaannya di dunia nyata. Pada stasiun-stasiun pengisian bahan bakar peringkat-peringkat oktan motor dan riset di rata-ratakan untuk mendapatkan peringkat oktan yang kemudian anda lihat, itulah sebabnya anda sering melihat persamaan (R+m)/2 pada satu sisi pompa pengisian. Kepekaan bahan bakar ini tidak dipublikasikan. Bahan bakar yang mengalami penguraian yang tinggi, sangat peka, sedangkan bahan bakar parafin sering menunjukkan perbedaan hampir nol diantara keduanya. Walaupun kepekaan bahan bakar ini tidak dikumpulkan pada pompa, dia dapat menjadi petunjuk berharga mengenai kinerja oktan yang sesungguhnya.
Perlu di ingat bahwa pengujian oktan dilakukan di Laboratorium menggunakan mesin penguji khusus. Semakin rendah kepekaan suatu bahan bakar semakin menunjukkan bagaimana sebenarnya bahan bakar tersebut akan berlaku sebagai yang diharapkan. Umumnya semakin dekat peringkat oktan riset dengan peringkat oktan yang dipublikasikan, semakin bisa dipercaya peringkat oktan yang dipulikasikan tersebut. Karena pada metode motor dan metode riset perbedaan utamanya terletak pada input parameternya (Keduanya menggunakan mesin penguji yang sama) Semakin besar perbedaan antara pengujian motor dan pengujian riset yang ditunjukkan oleh bahan bakar akan mengacu pada perbedaan input parameternya (suhu intake, waktu penyalaan dsb).
Bahan bakar yang memiliki peringkat oktan yang bervariasi dengan parameter-parameter intakenya, dikatakan lebih ”sensitive”
BAGAIMANA MEREKA MENGADAKAN BILANGAN OKTANE DIATAS 100?
Seringkali hal ini dilakukan dengan cara extrapolasi. Suatu metode yang lebih handal, bagaimanapun adalah dengan melalui apa yang disebut ”bilangan kinerja”. Secara singkat hasilnya didapat dengan mencatat nilai tekanan efektif silinder sesaat (instantaneus mean effective cylinder pressure-IMEP), dengan menggunakan bahan bakar yang diuji, pada tekanan tertinggi yang tidak menyebabkan knocking. Nilai atau bilangan ini kemudian dikalikan 100 dan hasilnya dibagi dengan nilai IMEP pada tekanan tertinggi yang tidak menyebabkan knocking, dengan menggunakan bahan bakar dengan nilai oktan setara 100.
Perlu dicatat bahwa secara teknis tidak ada sesuatu dengan nilai oktan diatas 100, jadi hindarkan acuan ”gasolin dengan nilai oktan 110” sebaiknya ”gasolin dengan bilangan kinerja 110” adalah lebih tepat.
BAGAIMANA TIMBAL MEMPENGARUHI OKTAN?
Tetraethyl Lead menaikkan peringkat oktan tidak karena dia menambah ”oktan” pada bahan bakar tapi karena dia membuat bahan mengalami knocking pada perbandingan kompresi yang lebih tinggi pada mesin ASTM-CFR.
Menurut riset yang mutakhir, peringkat oktan menurun pada bahan bakar hidrokarbon dengan bentuk rantai memanjang dan halus (Bahan bakar Parafin). Bahan bakar hidrokarbon dengan rantai bercabang, dan bahan bakar aromatik, memiliki peringkat oktan lebih tinggi.
Catatan Penting : Pada gasolin, katalisator bahan bakar Fitch (FFC) merubah molekul-molekul halus bukan gasolin menjadi molekul-molekul gasolin yang sangat bercabang dengan nilai oktan yang tinggi. Hal ini sangat diharapkan dan membantu mesin menghasilkan lebih banyak tenaga dari tiap gallon bahan bakar.
Campuran Oxigen dan alkyl timbal mempengaruhi jalannya reaksi penyalaan dini dengan menghemat terjadinya percabangan. Timbal, semula dipercaya oleh umum, bekerja dengan memperlambat laju penyebaran api, sehingga memperlambat kenaikan tekanan dalam silider, sedangkan secara umum kecepatan penyebaran api bekerja dipengaruhi peringkat oktan, timbal tidak secara nyata mempengaruhi hal itu.
APAKAH FAKTOR-FAKTOR LAIN YANG MEMPENGARUHI PERSYARATAN -PERSYARATAN OKTAN?
Design ruang bakar, lokasi titik-titik panas (hot spots) kecepatan piston, dan beberapa faktor-faktor lain, semuanya dapat menyumbangkan kecenderungan ping atau knocking pada mesin.
Sebagai tambahan, dalam dunia penerbangan ketinggian ekstrim dan super/turbo charging mempengaruhi persyaratan-persyaratan oktan.
Kenaikan tekanan induksi (sebagaimana yang dijumpai pada mesin dengan super/turbo charge) menyebabkan penyebaran permukaan api yang lebih cepat. Seperti halnya penurunan tekanan pembuangan (yang akan timbul pada ketinggian) juga cenderung mempercepat laju penyebaran api. Semua effect ini dapat bersama-sama menaikkan persyaratan oktan, khususnya pada ketinggian. Perlu dicatat bahwa effect terakhir juga mempengaruhi ketepatan perbandingan bahan bakar/udara untuk mendapatkan kondisi pengoperasian yang PALING EKONOMIS.
APA ARTI NILAI OKTAN YANG RENDAH?
Pada keadaan terburuk, bila bahan bakar sangat rendah nilai oktannya, dapat terjadi penyalaan spontan sebelum busi memantik, dikarenakan kenaikan suhu oleh panas yang timbul dari kompresi atau oleh titik-titik panas pada silider itu sendiri. Penyalaan seperti ini disebut penyalaan dini (berlawanan dengan knocking) dan merupakan penyebab alamiah yang akan merusak mesin menjadi skrap.
Bahan bakar solar mempunyai peringkat oktan yang cukup rendah, sehingga mencampurnya dengan gasolin dapat menimbulkan penyalaan dini.
Apa yang biasanya terjadi dan apa yang biasa kita sebut knocking atau ping adalah campuran bahan bakar/udara yang tidak menyala sebelum busi memantik, tapi menyala secara spontan, setelah itu busi memantik dan secara singkat menyebabkan peningkatan tekanan didalam ruang bakar. Hal ini menyebabkan bahan bakar pada sisi lain dari permukaan api (Flame Front) menyala sebelum permukaan api mencapainya. Selanjutnya hal ini akan menyebabkan tekanan pada ruang bakar secara cepat naik lebih tinggi lagi. Hasilnya adalah suatu ledakan didalam ruang bakar, sebaliknya dari hal yang diinginkan, yaitu pembakaran yang merata tapi cepat.
APA ARTI NILAI OKTAN TINGGI?
Suatu nilai peringkat oktan yang tinggi menjamin diperlukannya sumber yang nyata untuk menyalakan bahan bakar tersebut (seperti busi atau permukaan api itu sendiri) dan tidak sekedar kenaikan tekanan dan suhu, itu adalah hasil yang normal dari pembakaran dalam.
Perlu di ingat bahwa kenaikan temperatur didalam silinder adalah berbanding langsung dengan perbandingan kompresi dari mesin tersebut. Semakin tinggi perbandingan kompresi, semakin tinggi pula oktan bahan bakar yang dibutuhkan.
Sekali lagi bila campuran bahan bakar dalam mesin gasolin menyala sebelum busi memantik, kita menyebutnya ”Penyalaan dini”, penyalaan dini dapat merusak mesin, sebelum anda selesai membaca tulisan ini.......
Untuk mengatakan lagi, apa yang menjadi kepentingan kita sesungguhnya adalah yang disebut ”knock” dan itu adalah penyalaan spontan pada campuran bahan bakar/udara lebih awal dari permukaan api sebagai akibat dari kenaikan tekanan didalam silinder yang disebabkan oleh penyalaan yang disengaja (oleh percikan api dari busi).
BAGAIMANA PERINGKAT OKTAN DARI BAHAN BAKAR LAIN SEPERTI SOLAR ATAU BAHAN BAKAR JET DIBANDINGKAN DENGAN GASOLIN.
Solar dan bahan bakar jet (bersama dengan minyak tanah) sebenarnya memiliki bilangan oktan yang mengerikan, biasanya antara 15-25 ”oktan”. Mereka cenderung untuk mudah menyala akibat kompresi yang tinggi. Penggunaan dalam mesin gasolin akan cepat merusaknya.
Bahan bakar solar dinilai dengan bilangan cetan, yang ditentukan seperti oktan dengan menjalankan mesin test dengan memakai bahan bakar tersebut. Berbeda dengan pemakaian Heptan dan Iso-oktan, kita menggunakan naptalin (peringkat cetan =0) dan n-cetane (peringkat cetan =100)
Berlawanan sama sekali dengan peringkat oktan, makin tinggi peringkat cetan, makin tinggi pula kecenderungannya terhadap knock.
Penggunaan bahan bakar dengan bilangan oktan lebih tinggi dari yang dibutuhkan pada mesin gasoline, tidak menghasilkan keuntungan apa-apa. Penggunaan bahan bakar dengan bilangan cetan lebih tinggi dari yang diperlukan pada mesin diesel, juga tidak menghasilkan keuntungan apa-apa.
Sebaliknya, pada penggunaan bahan bakar dengan bilangan oktan terlalu rendah pada mesin gasolin akan merusak mesin tersebut, penggunaan bahan bakar dengan bilangan cetan terlalu rendah pada mesin diesel hanya akan menghasilkan perputaran yang lebih kasar (atau tidak berputar sama sekali) dan mesin tidak akan rusak.
Catatan:Pada mesin diesel, FFC membantu memecahkan molekul-molekul panjang yang sangat bercabang yang tidak diinginkan dan merubahnya menjadi rangkaian oktan rendah hidrokarbon lurus dan panjang. Hal ini menolong peringkat cetan bahan bakar solar dan membantu mesin menghasilkan tenaga lebih besar dari satu gollon bahan bakar.
BAGAIMANA MESIN DIESEL DAN MESIN GASOLIN BERBEDA DALAM KERJA DAN PERYSARATAN BAHAN BAKARNYA.
Mengapa mesin diesel mentoleransi bahan bakar ber oktan rendah? Pada semua mesin gasolin (termasuk mesin gasolin dengan injektor) campuran pada seluruh bahan bakar dan udara hadir didalam silinder pada setiap waktu saat piston bergerak keatas pada langkah kompresinya.
Hal ini berarti gasolin dapat dinyalakan setiap saat sedangkan kita mengharapkan, gasolin hanya dinyalakan saat busi memantik, kadang-kadang hanya sesaat sebelum puncak langkahnya. Lebih jauh lagi kita mengharapkan kenaikan tekanan yang bagus, merata dan mantap didalam cilinder sebagai akibat dari penyalaan. Itu berati kita mengharapkan bahwa permukaan (garis depan) nyala bergerak secara linier dari sumber penyalaan (busi) menuju sisi lainnya. Kita tidak mengharapkan pembakaran terjadi secara acak didalam campuran bahan bakar tadi, karena hal ini dapat menyebabkan kenaikan tekanan yang sangat cepat yang mana akan mencampakkan semua perhitungan tentang dimana dan kapan piston seharusnya berada.
Pada Mesin diesel tidak ada bahan bakar didalam ruang pembakaran saat piston mulai bergerak keatas pada langkah kompresi, melainkan bahan bakar tersebut disemprotkan dengan tekanan tinggi (sampai 3000 psi) kedalam ruangan pembakaran pada saat yang tepat dimana penyalaan diinginkan.
Pada mesin diesel dengan perbandingan kompresi sekitar 20:1 (dibanding 7:1 sampai 9:1 pada kebanyakan mesin gasolin moderen) panas yang timbul akibat kompresi akan menaikkan suhu ruang pembakaran sampai 1000-1500 oF.
Penyemprotan berlangsung kira-kira 0,002-0,004 detik selama mana bahan bakar secara spontan menyala akibat panas yang ditimbulkan oleh kompresi dan pada saat yang benar-benar tepat. Meskipun demikian suatu bahan bakar solar dengan peringkat cetan terlalu rendah mungkin tidak akan terbakar atau terbakar tidak merata khususnya pada cuaca dingin atau pada saat mesin dalam keadaan dingin.
Perbedaan kritis kedua adalah bahwa diesel di set untuk membakar bahan bakar dengan cara yang sedikit berbeda.
Suatu mesin gas secara khusus di set sedemikian sehingga campuran bahan bakar, dinyalakan sebelum piston mencapai puncak langkahnya. Tujuan kita adalah agar campuran bahan bakar tadi terbakar seluruhnya disekitar puncak dari langkah. Jadi tekanan pembakaran dimaksimumkan pada puncak langkah dan secara bertahap menurun sesuai dengan gerak langkah piston kebawah pada langkah kerja (dan volume di dalam silinder naik). Diesel Pada sisi lain, di set untuk menyemprotkan bahan bakar sangat dekat dengan puncak langkah kompresi. Bahan bakar menyala secara spontan (penyalaan sendiri) dan kenyataan terjadi knock sebagaimana terjadi pada mesin gasolin (”Knocking” klasik pada diesel).
Tekanan pembakaran pada diesel bertambah secara merata selama piston bergerak kebawah. Dan hasilnya adalah bahwa piston diesel ”merasakan” tekanan konstan selama begerak dari TDC menuju BDC, sedangkan piston pada mesin gasolin yang bekerja normal ”merasakan” penurunan tekanan yang konstan selama bergerak ke bawah langkahnya.
Hasil akhir adalah bahwa diesel merasakan tekanan puncak yang lebih rendah, tapi berlangsung selama periode yang panjang saat piston pergerak kebawah, sedangkan mesin gasolin merasakan tekanan puncak jauh lebih tinggi yang kemudian mendadak menurun saat piston bergerak kebawah.
Implikasi dari yang terakhir adalah bahwa secara berkala mesin gasolin bekerja mendekati kemampuan batalan (metal)nya. Segala sesuatu seperti knocking yang mana meningkatkan tekanan puncak tadi, bahkan lebih, akan diteruskan melampaui batas kemampuan dari batalan (metal)nya dan mengakibatkan kerusakan mesin.
Knocking pada mesin gasolin cenderung muncul pada akhir pembakaran saat tekanan didalam silider telah tercapai , sebagai akibat dari penyalaan, nilainya tinggi, cukup tinggi untuk menyalakan sendiri bahan bakar.
Knock pada mesin diesel muncul pada awal pembakaran sebagai akibat langsung dari tekanan piston saja, hal mana memungkinkan pembakaran lebih lanjut sambil piston bergerak kebawah. Pembakaran berlanjut ini menjaga tekanan dalam silider konstan sambil piston begerak menuju BDC.
BAGAMANA ANDA MENENTUKAN OKTAN BAHAN BAKAR PENERBANGAN?
Oktane bahan bakar penerbangan tidak ditentukan dengan cara yang sama pada bahan bakar otomotiv, sekali lagi kita mulai dengan mesin ASTM-CFR.
Pertama kita set ASTM-CFR untuk metode motor dan menggunakan metode tersebut untuk menentukan peringkat bahan bakar motor.
Kemudian kita koreksi peringkat tersebut pada peringkat ”Aviation Lean” menggunakan tabel konversi. Dibawah motor oktan 110 (nomor kinerja 110) angka ”aviation lean” dan motor oktan akan berbeda hanya sekitar 1 atau 2 angka. Diatas motor oktan 110 perbedaannya dapat sangat menyolok.
Berikutnya kita gunakan versi lain dari mesin ASTM-CFR. Mesin ini mempunyai perbandingan kompresi yang tetap, tapi memungkinkan pengisian super charger pada intake manifold. Dengan menambah tekanan intake lebih tinggi dan lebih tinggi sampai pada setting yang menimbulkan knocking. Selain dari itu parameternya sama dengan yang ada pada metode motor untuk otomobil. Metode super charger kemudian digunakan untuk menentukan nilai ”Kaya” bagi bahan bakar penerbangan.
Sebenarnya metode penekanan ini (berlawanan dengan perubahan perbandingan kompresi) adalah langkah mundur pada 1950an dan 1960-an saat super charger adalah biasa pada mesin-mesin pesawat terbang. Para teknisi sangat berkepentingan dengan sifat bahan bakar terhadap usaha meningkatkan nilai-nilainya.
Karena perbedaan cara mengukuran oktan pada bahan bakar otomotiv dan penerbangan, seseorang harus sangat berhati-hati bila membandingkan angka absolut.Oktan 100 avgas tidaklah sama dengan oktan 100 outogas (tapi mendekati).
Seseorang harus berhati-hati menyetel mesin kearah ”miskin” (lean), karena hal ini dapat menyebabkan permintaan oktan yang lebih tinggi dari pada yang dapat disediakan oleh bahan bakar otomobil. Carilah bahan bakar otomotiv dengan bilangan oktan diatas bilangan oktan bahan bakar penerbangan yang lebih rendah yang dapat anda temukan. Bila anda mendapatkan yang sama atau diatas permintaan oktan ”kaya” (angka lebih tinggi) maka anda tidak akan mendapatkan masalah (OK).
Suatu mesin pada peringkat 80/87 penerbangan seharusnya tidak akan mengalami masalah dengan oktan 89 (atau lebih tinggi) tanpa timbal. Mesin pada peringkat 91/96 harus bekerja setidaknya dengan (motor) oktan 91 tanpa timbal, tapi harap dicatat hal ini adalah lebih rendah dari batas kaya yang diminta (96) oleh mesin.
Oleh karenanya adalah sangat kritis untuk membatasi tingkat ”Lean” pada mesin dengan kombinasi bahan bakar bila bekerja pada setelan tenaga tinggi.
APAKAH YANG TERBAIK PADA PESAWAT UDARA?
Kita ingin membuat mesin-mesin pesawat udara dengan sifat-sifat sebagaimana berikut;
Perbandingan tenaga/berat sangat tinggi.
Konsumsi bahan bakar spesifik yang rendah (sehingga tidak perlu membawa bahan bakar yang berat).
Cara termudah melakukan hal ini tanpa melibatkan banyak peralatan yang rumit yang mungkin gagal dan menambah berat adalah dengan menaikkan perbandingan kompresi mesin. Effisiensi mesin adalah berbanding langsung dengan perbandingan kompresinya, sayangnya menaikan perbandingan kompresi berarti kita perlu mencegah terjadinya knock/detonasi.
Bagaimana kita melakukan hal ini? Kita gunakan bahan bakar oktan tinggi (oktan 100)!
