## KARAKTERISTIK KECEPATAN NYALA DAN KONSENTRASI ION PADA PEMBAKARAN PREMIXED BUTANA
Muh Nurkoyim Kustanto 1 *
1 Staf Pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Jember Jl. Kalimantan 37 Jember 68121
Email: *kustanto1969@gmail.com

## ABSTRACT
Penelitian  mengenai  pembakaran premixed butana  telah  dilakukan  ,  dengan  tujuan  untuk  mengetahui karakteristik  kecepatan  nyala  dan  konsentrasi  ion.  Penelitian  dilakukan  dengan  melakukan  pembakaran campuran premixed butana pada ruang bakar berbentuk silinder berukuran diameter 108 mm dan panjang 170 mm.  Campuran premixed butana udara diatur pada komposisi  ekuivalen rasio  = 0,8 ; 0,9; 1,0; 1,1 ; 1,2.  Hasil penelitian menunjukkan bahwa kecepatan nyala tertinggi pada ekuivalen rasio 1,1 yaitu 198 cm/s. Sedangkan konsentrasi radikal tertinggi yang ditunjukkan dengan tegangan pada sistem sensor ion terdapat pada ekuivalen rasio 1,1 yaitu 5,5 volt.
Keywords : butana, kecepatan nyala, konsentrasi radikal, pembakaran premixed

## PENDAHULUAN
Butana(C 4 H 10 ) merupakan senyawa organik  yang  berbentuk  gas  pada  temperatur ruangan  dan  tekanan  atmosfir  [1].    Berat  jenis butana lebih tinggi dibanding udara, sehingga jika terjadi kebocoran sangat berbahaya.  Penanganan butana  relatif  lebih  mudah  dibanding  LNG ( liquefied Natural Gas ) maupun CNG ( Compressed Natural Gas )  karena  mempunyai tekanan  pencairan  pada  suhu  kamar  yang  lebih rendah.  Sifat  tersebut  memudahkan  untuk pengemasan  dalam  tabung  yang  lebih  ringan. Dengan alasan tersebut membuat butana mempunyai  peluang  yang  lebih  besar  untuk digunakan  sebagai  bahan  bakar  mesin  penggerak mula.
Pemanfaatan  butana  sebagai  bahan  bakar memerlukan  penelitian  yang  mendalam,  baik penelitian mengenai pembakaran maupun penerapan pada mesin penggerak mula. Mustafa., K.F.,  dkk  [2]  melakukan  penelitian  mengenai pembakaran  butana  melalui  media  porous  yang akan  digunakan  ebagai  sumber  energi  untuk generator  termo  elektrik.  Penelitian  mengenai mekanisme  kimia  pada  pembakaran  butana dilakukan  oleh  Juan  C.P,  dkk  [3]  penelitan dilakukan sampai pada simulasi penerapan dalam mesin  HCCI.  Penelitian  mengenai  penggunaan butana  yang  dicampur  dangan  bensin  sebagai bahan  bakar  dilakukan  oleh  Jun  J.,  dkk  [4], campuran bensin-butana digunakan sebagai bahan bakar  pada  motor  bensin.  Penelitian  mengenai bahan bakar campuran butana juga dilakukan oleh Wilk  R.  D,  dkk  [5],  penelitian  dilakukan  dengan mencampurkan  n-butana  dengan  isobutana  yang
digunakan sebagai bahan bakar mesin pembakaran dalam.  Pada  penelitian  tersebut  dibandingkan antara percobaan dengan hasil pemodelan.
Penelitian  mengenai  pembakaran  dengan bentuk api bola mengembang dengan bahan bakar butana  masih  sulit  untuk  ditemukan.  Sehingga penelitian  mengenai  topik  tersebut  sangat  perlu dilakukan,  karena  pada  motor  bakar  torak kebanyakan api berbentuk bola yang mengembang.  Tujuan  dari  penelitian  yang  akan dilakukan  adalah  untuk  mengetahui  karakteristik nyala api dan  konsentrasi radikal, sehingga dapat dijadikan referensi penerapan penggunaan butana pada motor bakar torak.
TEORI
Pada  penelitian  yang  dilakukan  oksidator yang digunakan adalah oksigen yang berada dalam udara.  Udara  atmosfer  mengandung  20,95  % Oksigen, 78,09 Nitrogen, 0,933 Argon dan gas lain yang  dapat  disetarakan  dengan  CO 2 sebanyak 0,027% dalam persen volume. Perhitungan reaksi stoikiometri  antara  Butana  dan  dengan  udara adalah sebagai berikut:
C 4 H 10 + 6,5(O 2 + 3,727 N 2 + 0,045Ar + 0,0013 CO 2 )          4,008CO 2 + 5H 2 O + 24,23N 2 + 0,223Ar (1) Sehingga: AFR (mol) = mol udara/mol bahan bakar = 6,5(1+3,727+0,045+0,0013)/1 = 31,027 Dengan AFR (mol) =  Perbandingan  bahan bakar udara dengan dasar perhitungan mol.
Kecepatan  nyala  dapat  dirumuskan  dari perubahan  kenaikan  jari-jari  nyala  dibagi  dengan
perubahan waktu yang diperlukan. Dapat dituliskan dalam bentuk rumus [6]
S = dr dt
Dengan S = kecepatan nyala (m/s) r = Jari-jari nyala api (m) t = waktu (s)

## METODOLOGI PENELITIAN
Pembakaran secara premixed Butana-udara dilakukan  pada  ruang  bakar  berbentuk  silinder yang  berdiameter  108  mm  dan  panjang  170  mm. Pada  salah  satu  silinder  ditutup  dengan  dengan penutup  tetap  dari  bahan  akrilik,  yang  sekaligus berfungsi untuk mengintai api dalam ruang bakar. Silinder pada sisi yang lain ditutup menggunakan penutup  fleksibel  yang  dapat  bergerak  maju- mundur,  sehingga  mampu  menjaga  ruang  bakar tetap berada pada tekanan rendah. Pemantik nyala api diletakkan pada tengah diameter silinder ruang bakar dan berjarak 50 mm dari sisi penutup tetap. Pemantik tersebut dihubungkan dengan koil untuk meningkatkan  tegangan  listrik  dan  dicatu  dengan menggunakan  baterai.  Perekaman  gambar  nyala api  menggunakan  kamera  kecepatan  tinggi  Casio exilim  ex-fc100  yang  diatur  pada  kecepatan  420 fps.  Gambar  yang  dihasilkan  pada  kecepatan tersebut  mempunyai  resolusi  224x168  pixel. Kamera diletakkan pada sisi silinder yang ditutup dengan  menggunakan  akrilik.  Sensor  diletakkan pada tengah diameter silinder dan berjarak 70 mm dari sisi penutup tetap. Sensor ion tersebut terdiri dari  dua  plat  paralel  berukuran  50  x  6  mm  dan jarak  antar  plat  1mm.  Sensor  ion  dihubungkan dengan  rangkaian  elektronika  yang  mengubah resitansi  menjadi  tegangan  listrik.  Rangkaian listrik  tersebut  selanjutnya  dihubungan  dengan komputer  yang  berfungsi  untuk  mengolah  sinyal dan  menyimpan  data.  Gambar  susunan  ruang bakar  dan  peralatan  yang  berhubungan  dengan sistem  pengambilan  data  diperlihatkan  pada gambar 1.
Campuran premixed bahan  bakar  antara butana-LPG  pada  penelitian  ini  diatur  pada komposisi  ekuivalen  rasio  (  )  0,8;  0,9;  1,0;  1,1; 1,2. Pencampuran premixed butana-udara dilakukan diluar ruang bakar, hal ini bertujuan agar campuran homogen.
Gambar 1. Susunan ruang bakar dan peralatan pendukugnya

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kamera  kecepatan  tinggi  diatur  pada  420 fps ( frame persecond ), hal ini berarti setiap detik perekaman  gambar  terdapat  420  frame  gambar. Waktu  yang  dibutuhkan  untuk  berganti  frame gambar  adalah  1/420  detik.    Pengukuran  jarak tempuh  nyala  api  diukur  dengan  melihat  berapa jarak pergerakan nyala api dari satu frame gambar ke  frame  berikutnya.  Sedangkan  kecepatan  nyala adalah perbandingan antara jarak pergerakan nyala dibagi dengan jumlah frame yang diperlukan untuk pergerakan tersebut dikalikan dengan 1/420.
Api mulai menyala pada tengah silinder dan mengembang seiring dengan bertambahnya waktu. Gambar  2  menunjukkan  perkembangan  api pembakaran  premixed  butana  pada  komposisi stoikiometri.  Interval  waktu  tiap  frame  pada gambar 2 adalah 2,8 ms.
Gambar 2. Perambatan nyala pada pembakaran premixed butana komposisi stoikiometri
Gambar 2 memperlihatkan bahwa diameter api terus berkembang dengan interval 4,8 ms. Pada frame ketiga  nyala api  mulai  menyentuh penutup fleksibel dan mendorong mundur untuk mempertahankan tekanan. Tutup fleksibel mempunyai  gesekan  yang  sangat  kecil  sehingga kenaikan  tekanan  akibat  ekspansi  pembakaran dapat diabaikan.
Kecepatan  nyala  yang  terukur  dari  hasil gambar kamera kecepatan tinggi adalah kecepatan nyala  api  teregang.  Dimana  kecepatan  nyala  api
teregang  adalah  interaksi  antara  kecepatan  reaksi dan  ekspansi  gas  pembakaran.  Kecepatan  nyala lokal  adalah  kecepatan  nyala  pada  diameter tertentu  selama  api  mengembang.  Gambar  3 memperlihatkan hubungan antara kecepatan lokal terhadap  jari-jari  nyala  api.  Pada  ekuivalen  rasio rendah  (0,8)  kecepatan  nyala  terus  meningkat seiring  dengan  peningkatan  diameter.  Sedangkan pada daerah campuran stoikiometri dan campuran kaya  mula-mula  terjadi  peningkatan  kecepatan nyala  lokal  seiring  dengan  peningkatan  jari-jari nyala, tetapi pada pertengahan jari-jari kecepatannya cenderung konstan.
Gambar 3. Kecepatan nyala lokal pembakaran butana pada berbagai komposisi.
Sedangkan  gambar  4  adalah  grafik  yang memperlihatkan  hubungan  kecepatan  nyala  api teregang  dan  ekuivalen  rasio.  Hasil  penelitian menunjukkan  bahwa  bahwa  kecepatan  nyala  api teregang  tertinggi  terdapat  pada  ukuivalen  rasio 1,1  yang  mempunyai  kecepatan  198  cm/s, sedangkan yang terendah terdapat pada ekuivalen rasio 0,8 yaitu 121 cm/s.
Gambar 4. Kecepatan nyala api teregang pembakaran Butana pada berbagai komposisi
Pada  ekuivalen  rasio  1,0  mempunyai temperatur  adiabatik  tertinggi,  tetapi  kecepatan nyala teregang justru terjadi pada ekuivalen rasio 1,1.  Hal  ini  disebabkan  karena  pada  ekuivalen rasio  1,1  ketika  terjadi  peregangan  nyala  akibat
ekspansi gas hasil pembakaran terjadi peningkatan konsentrasi  radikal.  Sehingga  reaksi  pembakaran menjadi lebih cepat dibanding ekuivalen rasio 1,1. Hal  ini  dapat  dibuktikan  dengan  melihat  pada gambar  5,  yaitu  gambar  yang  memperlihatkan hubungan antara ekuivalen rasio dengan konsentrasi  radikal  yang  dinyatakan  dalam  Volt. Gambar  5  memperlihatkan  bahwa  konsentrasi radikal tertinggi terdapat pada ekuivalen rasio 1,1.
Gambar 5. Konsentrasi radikal pembakaran premixed butana pada berbagai komposisi

## PEMBAHASAN
Pada  proses  pembakaran  secara  umum terdapat 2 zone pembakaran, yaitu zona preheating dan  zona  reaksi  [6]. Pada  zona  preheating  terjadi pemanasan  pada  campuran  bahan  bakar-udara. Temperatur  campuran  semakin  meningkat  jika jarak  terhadap  zona  reaksi  semakin  dekat. Peningkatan temperatur akan menyebabkan terjadi proses dekomposisi molekul menjadi unsur-unsur. Dekomposisi molekul menjadi unsur dimulai dari ikatan  yang  lemah  yaitu  C-C,  C-H  berturut-turut [7].  Oksigen  yang  berikatan  ganda  akan  terputus ikatannya  pada  zona  reaksi.  Dengan  terputusnya ikatan  oksigen  maka  akan  terjadi  reaksi rekombinasi  untuk  membentuk  ikatan  CO 2 dan H 2 O yang disertai pelepasan panas dan cahaya.
Pada proses
pembakaran butana konsentrasi  radikal  tertinggi  terdapat  pada komposisi bahan bakar dengan ekuivalen rasio 1,1. Semakin  tinggi  konsentrasi  radikal  maka  difusi masa  dan  panas  akan  semakin  meningkat. Peningkatan  difusi  panas  dan  masa  akan menyebabkan daerah preheating meningkat, yang pada  akhirnya  akan  meningkatkan  kecepatan nyala.
Campuran
stoikiometri mempunyai temperatur  pembakaran  tertinggi,  namun  jumlah radikalnya  lebih  kecil  dibanding  campuran  kaya dengan  ekuivalen  rasio  1,1.  Hal  ini  disebabkan karena pada campuran stoikiometri jumlah bahan bakar  lebih  sedikit,  sehingga  jumlah  ikatan  yang mempunyai energi ikatan rendah, sehingga energi
100 120 140 160 180 200 220 0,7 0,9 1,1 1,3 Kec ep a ta n n y a la (c m t er eg a n g /s) Ekuiavlen rasio(  )
lebih  banyak  digunakan  untuk  melakukan dekomposisi pada energi ikatan yang lebih tinggi.

## KESIMPULAN
Dari penelitian tentang pembakaran premixed  butana  yang  telah  dilakukan  dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu:
1. Kecepatan pembakaran tertinggi terdapat pada campuran  kaya  dengan  ekuivalen  rasio  1,1 sedangkan  kecepatan  pebakaran  terendah terdapat pada ekuivalen rasio 0,8.
2. Konsentrasi  radikal  terbanyak  terdapat  pada ekuivalen  rasio  1,1  sedangkan  terendah  pada ekuivalen rasio 0,8.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Matheson, N-Butane, Safety Data Sheet . 2011
[2] Mustafa.  K.F.,  Abdullah.S.,Abdullah.M.Z., Sopian  K, Combustion  characteristics  of butane  porous  burner  for  thermoelectric power  generation, journal  of  combustion, 2015.
[3] Juan C.P, Forman A., Williams, Guillermo E., Ovando, Marco, A Romo, Chemical Mechanism  For  N-Butane  Ignition  and  Its
Application  to  HCCI  Engine  Simulation , Memorias  Del  Xviii  Congreso  Internacional Anual De La Somim, 2012.;
[4] Jun  J.,  Park  S.,  Bae  C., Combustion characteristics  of  gasoline  and  n-butane under  lean  stratified  mixture  conditions  in  a spray-guided  direct  injection  spark  ignition engine , Fuel, 2017;
[5] Wilk  R.D.,  Pitz.  W.J.,  Westbrook  C.K., Addagarla  S.,  Miller  D.L.,  Cemansky  N.P., Green  R.M, Combustion  of  N-butane  and isobutane in an internal combustion engine: A comparison  of  experimental  and  modeling results , Symposium (International) on Combustion, 1991;
[6] Nurkoyim  M.K.,    Wardana  ING.,  Sasongko M.N., Yuliati L., Laminar burning  velocity of ethanol  premixed  combustion  enriched  with liquefied  petroleum  gas(LPG) ,  Energetika, 2017;
[7] Ebbing  D.D.,  Gammon.,  D.S., General Chemistry ,  Ninth  Edition,  New  York, Houngton Miflin Company, 2009;
[8] Glassman  I.,  Yetter  R.A., Combustion , Singapore, Elsevier, 2008;