More deep into Headers, 41 & 421, etc

 

 

Disini kita bakal bahas lebih dalam tentang desain header dan juga konstruksinya 41 v& 421. Seperti kita ketahui, kerja mesin 4 tak sebenarnya didasari oleh hal alami, dalam hal ini sifat alami fluida gas. Desain yang baik haruslah sesuai dengan hukum alam, science itu pengetahuan alam, bila tidak seimbang dengan hukum alam akan didapatkan hasilnya tidak efisien. Campuran berat jenis 02 dengan berat bahan bakar tidak imbang (AFR), hasilnya boros atau tenaga loyo. Aliran udara yang dipaksa mengalir dari tekanan rendah ke tinggi alhasil bottle neck (kecekek). Dan sebagainya.

Ok,

Seperti kita tahu sebelumnya di post tentang Header Design

Quote :

  1. 41, konfigurasinya bermula dari 4 pipa header/runner yang bergabung langsung menjadi 1 di kolektor. Simple but powerfull buat melepas debit udara yang terjadi pada RPM tinggi. Rumus perhitungan diatas (post: Header Design) langsung aplikatif bagi header 41.
  2. 421, konfigurasi 4 pipa pipa runner primer pertama bergabung ke pipa kedua yang disebut secondary runner, disini menjadi sebuah kolektor yang berjumlah dua buah, pipa silinder 4 dengan silinder 1 bergabung menjadi satu kolektor, pipa silinder 2 dan 3 bergabung menjadi satu kolektor lagi. Dan selanjutnya 2 pipa secondary runner tersebut bergabung lagi di kolektor terakhir. Total ada 3 Kolektor yang terlihat seperti huruf Y. Makanya diluar sana disebut sebagai TRI-Y headers. Rumus perhitungan diatas (post: Header Design) dapat menjadi acuan untuk 421, untuk diameter inlet primer dan keseluruhan panjang runner (primarry + secondary) namun lebih detailnya lagi akan kita bahas pada kemudian hari.

 

 

I. 41 Header

  • AirSpeed & Pipe diameter

Simple but powerfull, header 41 banyak digunakan untuk ajang race, dimana driver lebih fokus pada pencapaian power di higher rpm. Nah pada high rpm ini, diperlukan pelepasan debit udara selancar-lancarnya namun dengan memperhitungan airspeed yang ideal. Berapakah nilai ideal untuk menghasilkan torsi optimal itu? Pada umumnya dicapai 250ft/sec atau 76.2 Namuuunnn, angka ini hanyalah acuan pendekatan yang didapat dari penelitian SAE pada kendaraan umum. Seiring perkembangan zaman, konstruksi flow path (dari intake manifold, inlet port, exhaust port, exhaust header runner) dari mesin mobil menjadi lebih efisien, sehingga airspeed yang lebih tinggi dapat dicapai tanpa menjadi turbulen, alhasil airspeed yang didapat pada max torque bisa mencapai kisaran 300ft/sec bahkan 330 ft/sec bagi mesin Formula 1. Dengan airspeed yang besar (namun tidak turbulen), maka diameter runner yang digunakan bisa semakin kecil, namun harus memperhatikan juga efisiensi dari konstruksi flow path.

Hal ini berlaku bagi seluruh komponen flowpath dari intake manifold, inlet port, exhaust port, exhaust header runner. Jadi berlaku pernyataan Jim Mcfarland (The Performance Proffessor N2Performance.com , seorang Jurnalis HotRod dan juga Lecturer, tempat pertama kali saya belajar mengenai teori 4 Stroke Engine tahun 1998). His Quotes : BIGGER FLOW (CFM) NOT ALWAYS BETTER”. Ya, benar. Karena pada konstruksi flowpath yang efisien, crossection area (area penampang) yang dibutuhkan dapat dibuat semakin kecil. Sedangkan pada konstruksi yang less-ideal, pasti butuh penampang yang lebih besar. Karena semakin besar area pasti semakin luber debit udara yang dapat melaluinya. Yang luber-luber pasti kurang enak kan. (BB17 :D )

Itulah mengapa pada tahun 2003-2011 saya mendisain knalpot menggunakan inlet runner yang lumayan besar, bahkan 2″ untuk mesin 2300 CC Honda. Alhasil muncul result yang seperti ini : http://www.modifikasi.com/showthread.php/15765-Hasil-Dyno-pake-header-ORD?p=597775&viewfull=1#post597775

Nah, semakin kemari semakin rapih pengerjaan exhaust saya. Efisiensinya semakin tinggi. Maka dengan diameter yang lebih kecil headernya bisa membuat horsepower yang sama bahkan lebih, dan dengan diameter lebih kecil airspeednya pun semakin besar, berujung horesepower sama namun torsinya membesar.Torsi inilah yang penting. Kenapa saya hanya bicara torque/Momen puntir? Karena max torque itu terjadi pada puncak Volumetric Efficiency pada RPM tersebut , dan torsi inilah yang mendorong kendaraan bergerak. Sedangkan horsepower hanyalah turunan dari Torsi yang bekerja dalam satuan putaran (RPM). Hp = Torsi (satuan Ft/lbs ya) X RPM / 5252

 

 

  • Step tubing.

Nah selanjutnya ketersediaan pipa. Pabrikan pipa pada umumnya mengeluarkan pipa diameter inlet 29-34-38-42-44-48mm. Bagaimana bila rumus perhitungan inlet dibutuhkan diameter 40 (masukan rumus pada mesin race 1600cc/400cc per cyl, untuk peak torque 7200rpm) ga ada ukurannya kan? Nah, disinilah qt bisa gunakan salah satu trik dengan Stepp Tubbing. (38+42)/2 = 40mm.
Keunggulan step tubing juga bisa menghasilkan efek antireversion (sudah dibahas pada bagian resonator) , selain itu kecepatan udara yang baik haruslah dari kecepatan tinggi ke rendah, pressurenya pun demikian, pressure besar ke presure kecil. Seperti hukum alam, semua mengalir dari tinggi ke rendah. Maka fluida gas buang pun akan mengalir keluar dengan baik sesuai dengan sifat alamiahnya.

 

 

  • Panjang Pipa (Primary Lenght)

Di Exhaust Header Design , sudah kita bahas rumus dasar perhitungan panjang pipa. Kenapa kaitannya dengan kecepatan suara, dan ada jumlah pantulan sebesar 1,5x ? Jadi begini, Scavenging itu ialah terjadinya kevakuman yang besar pada Runner (pipa) header, dan itu harus terjadi pada saat Overlap TDC (Kedua katup in dan ex terbuka bersama). Alhasil tekanan dalam silinder yang tingg akan mengalir kepada tekanan rendah yang berada pada Header Runner, dan akan ikut membantu proses penyedotan udara kedalam silinder pada siklus selanjutnya. Jadi Header ternyata berperan lho dalam proses penyedotan udara di intake manifold kedalam silinder. Unik dan aneh ya! Tapi itulah fakta alamiah yang terjadi. Dan bukan saya yang ngomong pertama kali lho, ini sudah diketahui oleh para Engineer disana dari tahun 70-80an. Penelitian terbanyak malah terdapat pada Aircraft industries, dimana pada engineer diharuskan mencari tahu bagai mana mendisain exhaust bagi mesin pesawat berpiston ditahun-tahun lawas, yang harus bekerja pada suhu udara dingin dan tekanan atmosfir rendah ribuan kaki diatas sana.

Nah sekarang pertanyaannya gimana header bisa qt disain agar menghasilkan negative pressure/kevakuman pada saat klep sedang overlap? Kenapa pula pantulan gelombang (pressure wave) yang digunakan harus mengalun sebanyak 1.5x? Lihat gambar dibawah , picture tell more than words :)

exhaustbacpressure

 

Jelas khan? saat 1.5x gelombang amplitudo dari pressure wave HARUS terjadi terjadi kevakuman atau negative pressure pada sisi exhaust. Nah, lalu kenapa ada kecepatan suara segala? 427 m/s itu darimana? Kenapa harus segitu?

Ternyata tidak harus segitu Naaahhhh, saya sendiri pun ketemu jawabannya pada penelitian Aircraft industries. Jadiiii, pressure wave itu merambat pada MACH 1, pada 1kali kecepatan suara, yang terjadi pada SEA LEVEL atmoshpere pressure , 1 ATM , pada EGT 1500 farenheit (waduuuuuhhh meledak pala gw). Alhasil, pada pesawat terbang yang menggunakan mesin berpiston, maka kecepatan udaranya pun berbeda saat terjadi ribuan kaki diatas sana. Wah, dari sini saya akhirnya paham, ternyata desain header pun akan berbeda lho pada lokasi keberadaan mesin (digunung vs dipinggir laut, ditempat dingin vs ditempat panas). Karena tekanan atmosfirnya berbeda. Bahkan bahan bakar berbeda pun akan menghasilkan EGT yang berbeda berimbas pada kecepatan rambat pressurve wave yang berbeda. Termasuk material Header yang berbeda juga! (Stainless, galvanized mild steel, monel, coated non coated).

Nah, semua hal dalam resonance tuning diatas itulah menghasilkan efek yang diistilahakan Scavenging. Dari penjelasan diatas bisa disimpulkan :

  • Semakin panjang runner, semakin ideal untuk tenaga di low rpm.
  • Semakin pendek runner, semakin ideal untuk tenaga di high rpm.

RIBETTT YAAAK !! Bangettt!! Tapi mau gak mau saya dulu harus belajar secara akademis, praktek, nanya mentor (engineer diluar sana-bukan sok internasional, tapi karena saya saat itu belom menemukan orang di indonesia yang mengerti dan mau menjelaskan pada saya), untuk mengetahui hal ini. Mau gak mau, karena pada tahun-tahun awal saya mengenal exhaust, saya masih terlibat sangat intense dalam dunia balap. Bukan berarti sekarang tidak, tapi saya hanya fokus pada Exhaust daripada balapnya.

Nah mau tidak mau pula saya harus belajar secara detail. Tentang hal ini, saya tidak bisa berkata “saya tidak senang dengan perhitungan scavenging. Saya gak mau desain knalpot pake Airspeed, Scavenging, dll.” Oiiiii, ini bukan pekara senang atau tidak senang, tapi ini adalah sifat almiah fluida. Sama saja qt bilang saya tidak senang dengan gravitasi dan nekat melakukan melakukan terjun bebas diatas gedung yang hasilnya pasti akan terjatuh hanya karena tidak suka gravitasi.

 

 

  • Kolektor dan Venturi

Naahh, seperti kita tahu bahwa kolektor itu adalah tempat dimana Independency dari sebuah Runner bergabung dengan runner lainnya. Atau bertemu dengan Area Abrupt Enlargement , (pembesaran yang mendadak) sehingga mirip dengan efek berbenturan dengan 1ATM (1x Tekanan Atmoshpere).  Jadi pada sistem header 421, area diamana pipa 2 bergabung menjadi satu itupun sebenarnya termasuk kolektor. Disini qt bahas dulu kolektor pada sistem 41. Yang mana 4 pipa independen bergabung menjadi 1 pada kolektor.

Nah kecepatan udara pada header runner yang tinggi akan mendadak tiba2 menjadi rendah ketika masuk ke kolektor yang berarea besar, Abrupt Enlargement. Agar kecepatannya terjaga, sebuah kolektor sebaiknya memiliki efek ventury yang mengakselerasi kembali kecepatan udara yang merendah

images

 

Pada umumnya sudut pengecilan area kolektor berada kisaran 7 s/d 15 derajat.

  • Semakin kecil sudutnya semakin besar efek resonance tuningnya, namun sedikit restrictive untuk mesin putaran tinggi.
  • Semakin besar sudutnya semakin kecil efek resonance tuning, namun baik bagi mesin putaran tinggi.

Nah untuk diameter inlet rata2 dari kolektor sampai kepada piping, qt bisa gunakan rumus yang ada pada post page Header Design sebelumnya.

 

 

 

 

II. 421 Header

More Torque on Low and Mid RPM

Header ini dibuat untuk memanfaatkan efek resonance tuning untuk scavenging secara lebih optimum. 421, konfigurasi 4 pipa pipa runner primer pertama bergabung ke pipa kedua yang disebut secondary runner, disini menjadi sebuah kolektor yang berjumlah dua buah, pipa silinder 4 dengan silinder 1 bergabung menjadi satu kolektor, pipa silinder 2 dan 3 bergabung menjadi satu kolektor lagi. Dan selanjutnya 2 pipa secondary runner tersebut bergabung lagi di kolektor terakhir. Total ada 3 Kolektor yang terlihat seperti huruf Y. Makanya diluar sana disebut sebagai TRI-Y headers.

3 buah kolektor Buat apa? Nah, kita ketahui tadi diatas, ada sebuah proses yang dinamakan proses scavenging, yang mana proses scavenging itu terjadi saat Negative Pressure Wave memantul di kolektor, yang menghasilkan kevakuman yang baik bagi pembilasan sisa gas residu. Nah pada Low – Mid RPM, efek resonance tuning ini lebih dominan daripada saat mesin berkerja di rpm tinggi. Maka hal tersebut bila diaplikasikan pada mesin yang sering beroperasi di rpm rendah, atau pada mesin yang kekurangan torsi di rpm rendah alhasil torsinya semakin baik. Nahh, dengan adanya 3 kolektor Y tersebut, maka desain 421 akan memiliki efek scavenging yang sangat baik bagi torsi yang terjadi pada low dan mid rpm dibanding dengan 1 buah kolektor saja pada system 41.

So jelas ya, bahwa 421 ini sangat baik bagi mesin harian, matic, atau mesin2 yang dirasa kekurangan torsi di LOW RPM (pada umumnya 1500cc kebawah dengan bobot kendaraan 1ton keatas akan merasakan lack of torque).

Namun bukan berarti pula hanya enak untuk mesin harian, pada beberapa mesin race qt pun bisa mengaplikasikan 421 asal dengan perhitungan yang tepat. Semisal pada mobil touring, rally , slalom, walaupun banyak berputar di rpm tinggi. Namun juga butuh torsi yang kuat saat hendak keluar dari tikungan. Maka bisa digunakan primarry runner yang besar (misalkan primarry dengan diameter 40mm bagi 1600cc, untuk max Volumetric efficiency pada 7000rpm), namun konstruksinya 421 dengan primarry runner yang lebih panjang daripada secondary runner.

Rumus untuk panjang total header pipe lenght juga sama seperti rumus pada post Header Design, Total lenght nya adalah primarry runner + secondary runner. Dan panjang primarry adalah setengah dari panjang total runner, begitu pula secondarynya setengah dari panjang total runner. Perbandingan antara primarry dan secondary 50:50 menurut saya adalah ideal, karena primarry dan secondary akan beresonansi untuk menghasilkan efek scavenging pada rpm yang sama. Walaupun kadang engineer dapat mengecilkan perbandingan primarry lebih pendek dari pada secondary sampai dengan 30:70 (30 primarry : 70 secondary) karena keterbatasan ruang mesin. Dan juga memanfaatkan efek untuk mixing resonance tuning pada rpm yang berbeda untuk primarry dan secondary runner, hal ini dapat menghasilkan powerband yang lebih lebar dan merata.  Lantas mengenai diameter secondary runner, pendekatan umumnya digunakan diameter 1.3x lipat dari primary runner. Hal ini pun berkaitan dengan airspeed pada secondary runner.

 

  • Pairing.

Nah, pairing ini adalah penggabungan dari kedua pipa pertama menjadi satu. Pada mesin 4 cyl umum, firing order biasanya menggunakan siklus 1-3-4-2. Maka dari firing order tersebut dikenal 2 macam pairing.

  • 1. Non Sequential.

Ini adalah pairing yang umum digunakan untuk header 421, yang menggabungkan pipa silinder 1 dengan 4 , lantas 3 dengan 2. Karena jaraknya berjauhan saling longkap dari urutan firing order 1-3-4-2 tersebut. Inilah kenapa dinamakan non sequential. Karena setelah silinder 1 bekerja membuang exhaust gas, saat menunggu datangnya pembuangan dari silinder 4 masih terdapat jeda 1 siklus dahulu, yaitu siklus dari silinder ke 3. Dan siklus silinder ke tiga ini independent dari siklus silinder 1 dan 4 pada konfigurasi pipa. Simplenya, “exhaust dari cyl 1 dikasih nafas rehat dulu buat nunggu temennya si cyl 4 nyusul keluar”. Begitupula untuk cyl 3 dengan 2.

Pairing Non sequential ini sangat baik bagi low and mid range torque karena memanfaatkan resonance tuning dengan optimum. Dengan “dikasih nafas” tadi, akhirnya area kolektor “Y” pertama memiliki waktu untuk menjadi bebas dari exhaust gas, alhasil kondisi bebas dari exhaust gas pada area Y pertama tadi menciptakan situasi yang lebih netral dan mampu membuat efek resonansi pressure wave yang lebih kuat. Maka itu baik sekali bagi low and mid rpm torque. (ingat ya, resonansi pressure wave ini bukan backpressure lho, ini adalah resonance tuning yang memicu scavenging/pembilasan isi silinder).

  • 2. Squential

Pada umumnya digunakan di mesin race yang berputar pada rpm tinggi namun juga masih ingin mengoptimalisasi efek resonance tuning. Sequential adalah pairing cylinder 1 dengan 2, lantas 3 dengan 4. Firing order 1-3-4-2, kalau siklusnya dilanjutkan dari silinder 2 urutannya akan sama dengan 2-1-3-4, 2-1 3-4. Jadi pairing 1 dengan 2, juga 3 dengan 4 adalah sejalan dengan firing order, dengan siklus kerja mesin 4 cyl. Nah, karena urutannya yang saling mengantri, maka efek penggunaan header sequential ini akan mirip header 4-1, dan juga konstruksi primarry lenghtnya pun harus mirip 41, karena bila tidak resonance tuningnya akan kacau, jadi wujud header sequential ini lebih mirip header 4-1 long runner yang ujung kolektornya dibuat lanjutan Tri Y.

images (1)

Tujuannya apa ? Kenapa gak menggunakan header 41 aja sekalian? Tujuannya ya seperti sebelumnya kita bahas, untuk digunakan pada mesin race yang berputar pada rpm tinggi namun juga masih ingin mengoptimalisasi efek resonance tuning. Sehingga efek di rpm tingginya mirip 41, namun ada benefit tambahan resonance tuning. Walaupun efek resonance tuningnya sangat sedikit dengan konstruksi demikian. Karena silinder 1 “gak dikasih nafas dulu” tau-tau diarea pipa sekunder sudah dijejali gas buang dari silinder 2.

Kekurangan konstruksi header ini bentuknya akan sangat panjang dan besar, jadi bakal ribet pemasangannya, dan juga panjangnya yang bisa 1.5 Meter membuat header ini menjadi lumayan berat. Tahun 2006 saya pernah membuat konstruksi seperti ini untuk Honda B18C teman saya. Memang ada efek torsi di mid range lebih kuat sedikit. Namun karena masangnya bikin puyeng, dan juga ternyata saat lagi dipakai freeflow, suaranya gak enak :D :D , jadi mirip2 mesin Harley Davidson yang dipaksa rev tinggi. Hehe, akhirnya dilepas sama teman saya tadi (masalah selera)

 

Oh ya, mengenai konfigurasi ini, bukan berarti 421 hanya untuk mobil harian/matic, dan 41 hanya untuk mobil balap. 41 bisa juga koq digunakan pada mobil harian, tentunya dengan perhitungan akurat dan sesuai karakter mesin dan kebutuhan driver. Jadi kita harus tahu karakter mesin mobil kita, kebutuhan kita seperti apa, powerband diarea manakah yang terasa kurang, disitulah kita Optimumkan. Dan kebanyakan header yang sesuai kebutuhan kita pada umumnya tidak bolt on. Gimana mau bolt on, kalau header aslinya pendek sekali sedangkan yang mesin kita butuhkan ketemunya hampir 4x lipat panjang aslinya?

images (2)

jazz idsi-vtec

 

 

Nah dari berbagai perhitungan diatas mengenai Panjang untuk resonance tuning, Diameter untuk optimum airspeed (Oh ya, untuk diameter pipa, semua perhitungan haruslah menggunakan ID / Inside Diameter satuannya milimeter), dan kolektor maupun konfigurasi. Kita bisa mentweaking kebutuhan mesin dan komposisinya tidak hanya pada satu area powerband. Pada umumnya kita akan membuat panjang header, diameter yang ideal untuk kebutuhan utama kita. Tarolah kita ingin memiliki peak torque pada 5500 rpm, seluruh perhitungan tersebut kita kumpulkan agar airspeed dan resonance tuning terjadi pada 5500 rpm. Hasilnya volumetric efficiency beserta power akan gotong royong menyatu bergabung terpusat pada satu area tersebut. Tapi kita dapat pula membuat diameter runner agar airspeed optimum untuk peak torque di 5500 namun panjang runner dengan resonance tuning untuk terjadi pada 4000 rpm. Hasilnya bagaimana? Hasilnya adalah broader powerband range, mesin akan memberikan torsi yang sedap dari rpm 4000 sampai 5500 rpm. Bahkan ada tuner diluar sana yang menerapkan unequal lenght primarry, misalkan cyl 1 dan 3 untuk peak torque 4000rpm, sedangkan 2 dan 4 untuk 6000 rpm. Maka pipa 1 dan 3 akan lebih pendek dari 2 dan 4. Unik khan. Ya semua kembali kepada karakter mesin dan kebutuhan kita. Ada driver yang butuh max power pada rpm atas saja untuk topspeed, ada driver yang butuh torsi kuat di rpm bawah untuk start dan akselerasi maximal. Ada pula yang butuh keduanya yang meminta header untuk berkombinasi unik.

Belakangan ini saya berfikir, exhaust engineering ini malah terlihat seperti Art. Art yang memiliki landasan scientific. Macam cara orang membuat Mie, science nya ya menggunakan air sekian derajat, komposisi utama nya A B C. Namun agar sesuai kebutuhan, cara meraciknya berbeda, ada yang menambahkan lada, ada yang tidak, yang penting sesuai kebutuhan. Banyak jalan menuju Roma. (Haiisssssshh). Kurang lebih analoginya gitu deh :D

Pegel jari

 

 

Salam, Happy driving :)

 

 

nb :

Buku-buku dan bacaan referensi mengenai exhaust tuning yang instan dan aplikatif 

  • 4 Stroke Tuning , Graham Bell (pastinya )
  • Artikel2 Michael Delaney, TeamIntegra.net
  • tar ane inget2 lagi dah, tulis dimari,

Referensi Advance, Njilmet bagi yang pengen tau detail “How it works” dan akhirnya bisa memformulasikan knowledge dan rumus sendiri

  • JimMcfarland, N2performance.com
  • ane cari dl paper2 SAE dan Aircraft Exhaust Industries (kalo sempet ane upload)
  • Pamungkas : Beli software engine Analyzer Pro (Performancetrends, Inc), pelajari manual booknya (buku bener, bukan yg pdf), jangan lewatin satu halaman pun sebelom ngerti, sambil bedah konstruksi mesin praktek langsung <– nih, ibarat kitab tenaga dalam
FacebookTwitterGoogle+Bookmark/FavoritesShare