Exhaust Header Design

Exhaust Header Design

 

Semua hal dalam permesinan termasuk knalpot/exhaust , adalah scientific, eksak! Tidak bisa menggunakan sekedar, feeling, dugaan, atauoun teori umum yang tidak berlandaskan ilmiah sains. Kalaupun ada yang mendisain knalpot/exhaust yang tidak menggunakan proses perhitungan ilmiah dan hasilnya “bagus” , pastilah itu kebetulan atau telah melewati trial and error yang lumayan menghabiskan waktu dan biaya. Tentunya kita tidak mau kan mobil atau motor kita menjadi kelinci percobaan?

Nah, sebuah Header, Karena fungsinya yang bertanggung jawab menerima gas sisa pembakaran pertama kali, langsung dari mesin. maka Disain sebuah header sangat krusial untuk ukurannya. Panjang, diameter, sudut tekukan dan konfigurasi kolektor (421/41, etc) sangat berpengaruh terhadap karakter mesin dsn tenaga yang dihasilkannya. Tidak bisa sembarang ukuran. Size does matter!

Karakter mesin yang mempengaruhi desain sebuah header ialah, kapasitas (cc) dan powerband atau rentang tenaga yang menghasilkan tenaga optimal dalam satuan RPM (rotasi per menit). Kita tidak bisa menggunakan spec header untuk mesin 1000cc dipasang pada mesin 1800cc. Atau header mesin spec offroad low rpm pada mesin drsg rpm tinggi.

 

 

Panjang,

Panjang pipa primer (runner) sebuah header menentukan efek scavenging dari kerja mesin pada RPM dimana kita inginkan terjadinya area powerband optimum. Scavengging ialah proses dimana terjadi pantulan dari gelombang tekanan (presure wave) gas buang yang mengalir sepanjang pipa primer header (runner) hingga memasuki area kolektor.

Penentuan panjang runner tersebut sangat penting, orang bule bilangnya resonance tuning, tujuannya agar presure wave tersebut menghasilkan efek penyedotan/kevakuman tepat dimulut klep exhaust pada saat klep intake sedang terbuka saat overlapping yang terjadi pada proses siklus pengisapan selanjutnya. Parameternya dipengaruhi oleh RPM powerband, dan juga durasi bukaan klep exhaust.

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

(tulalit khann, dengan teori2 umum yang “pendek buat street, panjang buat drag” 😀 )

panjang pipa header

 

 

Diameter,

Diameter pipa primer menentukan kecepatan aliran udara yang optimal pada area powerband yang kita inginkan. Simple rule of thumbnya : pada saat puncak horsepower terjadi, kecepatan aliran udara gas buang exhaust haru berada pada kisaran 220-300ft/ second. Dalam rumus dibawah di ambil 250ft/sec atau 76.2

  • Bila kecepatannya terlalu rendah (kegedean diameter), efek yg dirasakan ialah torsi mesin yang loyo, atau “ngempos” dan juga boros.
  • Bila kecepatannya terlalu tinggi (kekecilan diameter), efek yg dirasakan ialah power mesin seperti tertahan. Bakal boros juga! Karena banyak residu pembakaran yang tidak terbuang sempurna.

diameter-pipa

 

Sudut dan tekukan,

Sudut dan tekukan dari pipa header juga berpengaruh bagi performa exhaust. Gas buang merupakan fluida gas, dan fluida mengalir sempurna pada aliran yang laminer juga streamlie. Singkatnya, fluida suka pada jalur yang steady, pasti, tidak PHP. 😀

  • Jadi bilamana jalurnya lebih banyak lurus, ya bikin jumlah sudutnya seminimum mungkin dan dominan lurusnya.
  • Namun bila jalurnya harus berbelok, ya bikin sudut berputar yang halus dan kontinyu.
  • Tidak lurus, belok, lurus lagi, lantas belok, lantas lurus lagi. Yang begini fluida akan kesulitan untuk mengalir. Tapi terkadang ruang mesin yang terbatas memang memaksa engineer untuk mengkompensasi keinginan fluida 😀

 

Nah satu lagi, jenis proses penekukan pipa untuk exhaust biasa diketahui ada dua,

  1. Tekukan biasa (yang biasanya jadi kempot),
  2. Mandrell Bend (tekukan yang tidak kempot, biasa digunakan untuk High Grade Exhaust yang harganya pake dolar, macam DC-Sports dsb).

Ada pula yang menggunakan segmented elbow untuk menghindari kempot tersebut. So pasti Mandrell Bent ialah yang terbaik, tapi apakah jaminan mandrell bent lebih baik daripada tekukan biasa? Belum tentu.

ORD non Mandrell 140usd VS DC-Sports 400usd <— klik

link : https://www.facebook.com/photo.php?fbid=10201476687934248&set=a.10201119829493010.1073741830.1087407201&type=1&theater&notif_t=photo_comment

Yes, we Knock’em out 🙂

Wow, koq bisa ?

Jawabannya : Karena perusahaan exhaust yang menggunakan mandrell untuk produksi massal, biasanya exhaustnya berbiaya cukup mahal. Karena itu mereka gunakan untuk produksi massal yang specnya “one fit for all”, ingat “SIZE DOES MATTER” no single exhaust sized fit for all engine specs. Nah dengan keterbatasan pipa yang ada dari produsen pipa, justru tekukan “sedikit kempot” tersebut ORD gunakan untuk memberikan ukuran diameter rata-rata bagi pipa exhaust agar sesuai seperti apa yang di mau Mesin. Nah hal inilah yang membuat kejadian seperti diatas, “ORD Non Mandrelled knocked Out DC sports Mandrelled”. Disinilah kesempatan bagi engineer yang memiliki keterbatasan budget untuk melakukan proses mandrell bent mampu mengalahkan performa exhaust yang menggunakan mandrel bent.

“Ahhh, itu kan pembenaran lo aja karena budget gak cukup”. X_x . Wait ! Siapa bilang qt pake pipa kempot doank? Lets see here 🙂 , Product Custom qt juga bisa pake Segmented Elbow untuk beberapa mesin khusus yang ga mikirinbudget 😀 .

So, we give No Excuse for Lower Performance 🙂 🙂

https://www.facebook.com/ord.engine/media_set?set=a.10202376406043043.1087407201&type=3

 

 

Konfigurasi dan Kolektor,

Nah, pada mesin 4 silinder umumnya diketahui ada dua macam konfigurasi Header, 4-1 dan 421. Secara awam diketahui 4-1 Memiliki karakter yang baik buat putaran atas, sedangkan 421 putaran menengahnya yang strong.

  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 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 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.

Lho 421 kolektornya sampai 3 biji? Buat apa? Nah, kita ketahui tadi diatas, ada sebuah proses yang dinamakan proses scavenging, yang mana proses scavenging itu terjadi saat Pressure Wave memantul di kolektor, yang menghasilkan kevakuman yang baik bagi pembilasan sisa gas residu. Alhasil torsi 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. Jelas khaannn?

Nah selanjutnya ialah diameter kolektor, kolektor yang dimaksud disini ialah final kolektor yang menggabungkan seluruh pipa header menjadi satu. Seperti kita ketahui diatas, semua ini tentang flow dan air speed. Debit mencukupi dan air speed ideal, tidak turbulen, tidak pula lack of velocity.

Prinsipnya idem sama runner / pipe diameter

  • Bila kecepatannya terlalu rendah (kegedean diameter), efek yg dirasakan ialah torsi mesin yang loyo, atau “ngempos” dan juga boros.
  • Bila kecepatannya terlalu tinggi (kekecilan diameter), efek yg dirasakan ialah power mesin seperti tertahan. Bakal boros juga! Karena banyak residu pembakaran yang tidak terbuang sempurna.

diameter kolektor

 

Downpipe.

Nahh, satu lagi. “Koq mobil-mobil sekarang jarang yang pakai header? Gantinya namanya Downpipe?”. Sebenarnya, downpipe itu adalah bagian dari header yang mana primarry pipenya menyatu langsung pada cylinder head. So downpipe berfungsi sebagai Secondary Runner dan juga sekaligus Kolektor. Jadi desain perhitungan seperti header tetap berlaku, tapi fokus lebih pada desain kolektor yang akan kita bahas lebih detail dilain waktu.

 

 

Rumus dan Aplikasi Perhitungan

Nah dari semua teori cuap cuap diatas tadi, darimana asalnya? Ga bakal muat ditulis di artikel sini, jadi yang mau belajar, ada artikel saya yang berbentuk skripsi pribadi tahun 2004, DOWNLOAD DISINI. http://www.4shared.com/rar/9CFL8MBSba/skripsi.html?

BAB II berisi landasan teori, BAB III berisi Aplikasi rumus. Gak rugi deh downloadnya, isinya menyeluruh tentang mesin 4 tak, dan teradapat cara membuat mesin 1300cc NA 205HP 🙂

Rumus-rumus diatas dicari di internet manapun gak akan ketemu, (sok pinter? bukan bro!) Karena yang beredar diinternet (Graham Bell, Jim Mcfarland, Bisimoto, Michael Delaney, etc) ialah rumus singkat bagi engineer motorsports, yang aplikatif dan ga mau pusing. Sedangkan rumus saya disini ialah rumus yang dituntut oleh Dosen saya sewaktu melakukan Skripsi atas hasil karya saya Civic Nouva yang menjadi juara nasional dari 2001-2003, beliau-beliau ini menuntut saya untuk menjabarkan secara detail , njlimet, dan puyeng. Bukan diminta shortcut rumus matengnya doank. Makanya saya bagi2 disini biar ikut ngerasain puyeng bareng 😀 . Dab perhitungan praktisi motorsports dunia tersebut dengan rumus penelitian ilmiah skripsi saya ending ketemunya bakal mirip 🙂 , tapi cuma penjabarannya saja dalam skripsi saya lebih detail (dan puyeng). Tapi worthed buat yang ingin berbagi diskusi pembelajaran. Dan ga usah takut bakal menyesatkan, karena sudah disahkan koq oleh para Guru besar universitas, dan juga terbukti juga donk di ajang Balap , “RACE PROVEN” :)))))

Oh ya, artikel diatas baru opening tentang disain header, untuk lebih lengkapnya lanjut kemari : More Advance on Header Design

 

nb :

  • contoh perhitungan diatas barulah basic pendekatan dalam perancangan exhaust, bukanlah berarti sudah 100% yang diterapkan dalam perhitungan exhaust kami, masih banyak hal lain yang digunakan dalam tweaking performa dari exhaust system terutama header. Semacam Step tubbing, unnequal lenght, multisize bending, resonance chamber dalam muffler, dan sebagainya yang akan qt bahas di lain waktu.
  • science itu berkembang, pengetahuan dan penemuan baru juga berkembang, tidak ada yang lebih pintar dan tidak ada yang lebih bodoh, so tidak menutup kemungkinan saya dan qt semua menerima mengaplikasikan pengetahuan baru tentang exhaust didapat kemudian hari 🙂 .