Ketukan mesin, di mana bahan bakar menyala tidak merata di sepanjang dinding silinder yang mengakibatkan gelombang kejut perkusi yang merusak, merupakan masalah yang harus diatasi oleh pembuat mobil sejak masa Model T. Upaya awal industri untuk memecahkan masalah — yaitu timbal tetraetil — adalah, di melihat ke belakang, sebuah kesalahan besar, telah membuat seluruh generasi Amerika tercengang dan terpana dengan produk sampingan neurotoksik mereka.
Dr. Vaclav Smil, Profesor Emeritus di University of Manitoba di Winnipeg, meneliti penalaran ekonomi picik yang mengarah pada gas bertimbal daripada jaringan stasiun etanol nasional dalam buku barunya Invention and Innovation: A Brief History of Hype and Failure . Gas timbal jauh dari satu-satunya gerak maju yang diperkirakan terjadi seperti balon timah. Invention and Innovation dikemas dengan kisah-kisah tentang ide-ide umat manusia yang paling bermaksud baik, paling tidak dipahami, dan umumnya setengah-setengah — mulai dari kapal udara dan hyperloop hingga DDT dan CFC.
Pers MIT
Dikutip dari Invention and Innovation: A Brief History of Hype and Failure oleh Profesor Vaclav Smil. Dicetak ulang dengan izin dari The MIT Press. Hak Cipta 2023.
Hanya tujuh tahun kemudian Henry Ford mulai menjual Model T-nya, mobil penumpang pertama yang diproduksi secara massal dengan harga terjangkau dan tahan lama, dan pada tahun 1911 Charles Kettering, yang kemudian memainkan peran kunci dalam mengembangkan bensin bertimbal, merancang starter elektrik praktis pertama, yang meniadakan gerakan tangan yang berbahaya. Dan meskipun jalan beratap keras masih kekurangan pasokan bahkan di bagian timur AS, pembangunannya mulai dipercepat, dengan panjang jalan raya beraspal di negara itu bertambah lebih dari dua kali lipat antara tahun 1905 dan 1920. Yang tidak kalah penting, penemuan minyak mentah selama puluhan tahun menyertai oleh kemajuan dalam penyulingan menyediakan bahan bakar cair yang dibutuhkan untuk perluasan transportasi baru, dan pada tahun 1913 Standard Oil of Indiana memperkenalkan perengkahan termal minyak mentah William Burton, proses yang meningkatkan hasil bensin sambil mengurangi bagian senyawa volatil yang membentuk sebagian besar bensin alami.
Tetapi memiliki mobil yang lebih terjangkau dan lebih andal, jalan yang lebih beraspal, dan persediaan bahan bakar yang tepat masih menyisakan masalah yang melekat pada siklus pembakaran yang digunakan oleh mesin mobil: kecenderungan untuk melakukan ketukan keras (ping). Dalam mesin bensin yang beroperasi sempurna, pembakaran gas dimulai hanya dengan percikan waktu di bagian atas ruang bakar dan bagian depan api yang dihasilkan bergerak secara seragam melintasi volume silinder. Knocking disebabkan oleh pengapian spontan (ledakan kecil, mini-detonasi) yang terjadi di gas yang tersisa sebelum dicapai oleh bagian depan api yang dipicu oleh percikan api. Mengetuk menciptakan tekanan tinggi (sampai 18 MPa, atau hampir sampai 180 kali tingkat atmosfer normal), dan gelombang kejut yang dihasilkan, bergerak dengan kecepatan lebih besar dari suara, menggetarkan dinding ruang pembakaran dan menghasilkan suara ketukan, tidak berfungsi. mesin.
Mengetuk terdengar mengkhawatirkan pada kecepatan berapa pun, tetapi ketika mesin beroperasi pada beban tinggi, hal itu bisa sangat merusak. Ketukan yang parah dapat menyebabkan kerusakan mesin yang parah dan tidak dapat diperbaiki, termasuk erosi kepala silinder, ring piston rusak, dan piston meleleh; dan ketukan apa pun mengurangi efisiensi mesin dan melepaskan lebih banyak polutan; khususnya, menghasilkan emisi nitrogen oksida yang lebih tinggi. Kapasitas untuk menahan ketukan—yaitu stabilitas bahan bakar—didasarkan pada tekanan di mana bahan bakar akan menyala secara spontan dan telah diukur secara universal dalam angka oktan, yang biasanya ditampilkan oleh SPBU dalam angka hitam tebal dengan latar belakang kuning.
Oktana (C8H18) adalah salah satu alkana (hidrokarbon dengan rumus umum CnH2n + 2) yang terbentuk antara 10 hingga 40 persen minyak mentah ringan, dan salah satu isomernya (senyawa dengan jumlah atom karbon dan hidrogen yang sama tetapi dengan struktur molekul yang berbeda), 2,2,4-trimethypentana (iso-oktana), diambil sebagai maksimum (100 persen) pada skala peringkat oktan karena senyawa tersebut benar-benar mencegah ketukan. Semakin tinggi peringkat oktan bensin, semakin tahan bahan bakar terhadap ketukan, dan mesin dapat beroperasi lebih efisien dengan rasio kompresi yang lebih tinggi. Penyulingan Amerika Utara sekarang menawarkan tiga nilai oktan, bensin biasa (87), bahan bakar kelas menengah (89), dan campuran bahan bakar premium (91–93).
Selama dua dekade pertama abad ke-20, fase awal ekspansi otomotif, ada tiga opsi untuk meminimalkan atau menghilangkan ketukan yang merusak. Yang pertama adalah menjaga rasio kompresi mesin pembakaran internal relatif rendah, di bawah 4,3:1: Model T terlaris Ford, diluncurkan pada tahun 1908, memiliki rasio kompresi 3,98:1. Yang kedua adalah mengembangkan mesin yang lebih kecil tetapi lebih efisien dengan bahan bakar yang lebih baik, dan yang ketiga adalah menggunakan aditif yang akan mencegah pengapian yang tidak terkendali. Menjaga rasio kompresi tetap rendah berarti pemborosan bahan bakar, dan efisiensi mesin yang berkurang menjadi perhatian khusus selama tahun-tahun ekspansi ekonomi pasca-Perang Dunia I yang cepat karena meningkatnya kepemilikan mobil dengan mobil yang lebih bertenaga dan lebih lega menyebabkan kekhawatiran tentang kecukupan jangka panjang. pasokan minyak mentah domestik dan meningkatnya ketergantungan impor. Akibatnya, aditif menawarkan jalan keluar yang paling mudah: aditif memungkinkan penggunaan bahan bakar berkualitas rendah pada mesin yang lebih bertenaga yang beroperasi lebih efisien dengan rasio kompresi yang lebih tinggi.
Selama dua dekade pertama abad ke-20, terdapat minat yang cukup besar terhadap etanol (etil alkohol, C2H6O atau CH3CH2OH), baik sebagai bahan bakar mobil maupun sebagai aditif bensin. Berbagai pengujian membuktikan bahwa mesin yang menggunakan etanol murni tidak akan pernah mengalami ketukan, dan campuran etanol dengan minyak tanah dan bensin telah dicoba di Eropa dan AS. Pendukung etanol yang terkenal termasuk Alexander Graham Bell, Elihu Thomson, dan Henry Ford (walaupun Ford tidak, seperti yang diklaim oleh banyak sumber, merancang Model T untuk berjalan dengan etanol atau menjadi kendaraan bahan bakar ganda; itu harus berbahan bakar dengan bensin); Charles Kettering menganggapnya sebagai bahan bakar masa depan.
Tapi tiga kerugian rumit adopsi skala besar etanol: itu lebih mahal daripada bensin, itu tidak tersedia dalam volume yang cukup untuk memenuhi permintaan bahan bakar otomotif yang meningkat, dan meningkatkan pasokannya, bahkan jika digunakan sebagai aditif dominan, akan telah mengklaim bagian yang signifikan dari produksi tanaman. Pada saat itu tidak ada cara langsung yang terjangkau untuk memproduksi bahan bakar dalam skala besar dari limbah selulosa yang melimpah seperti kayu atau jerami: selulosa pertama-tama harus dihidrolisis oleh asam sulfat dan gula yang dihasilkan kemudian difermentasi. Itulah sebabnya bahan bakar etanol sebagian besar dibuat dari tanaman pangan yang sama yang digunakan untuk membuat (dalam volume yang jauh lebih kecil) alkohol untuk minuman dan penggunaan obat dan industri.
Pencarian aditif baru yang efektif dimulai pada tahun 1916 di Laboratorium Penelitian Dayton Charles Kettering dengan Thomas Midgley, seorang insinyur mesin muda (lahir tahun 1889), yang bertanggung jawab atas upaya ini. Pada Juli 1918, sebuah laporan yang disiapkan bekerja sama dengan Angkatan Darat AS dan Biro Pertambangan AS mencantumkan etil alkohol, benzena, dan sikloheksana sebagai senyawa yang tidak menghasilkan ketukan apa pun pada mesin berkompresi tinggi. Pada tahun 1919, ketika Kettering dipekerjakan oleh GM untuk mengepalai divisi riset barunya, dia mendefinisikan tantangan tersebut sebagai salah satu upaya untuk mencegah kekurangan bahan bakar: pasokan minyak mentah domestik AS diperkirakan akan habis dalam lima belas tahun, dan “jika kita berhasil menaikkan kompresi motor kita. . . kami dapat menggandakan jarak tempuh dan dengan demikian memperpanjang periode ini menjadi 30 tahun.” Kettering melihat dua rute menuju tujuan itu, dengan menggunakan aditif volume tinggi (etanol atau, seperti yang ditunjukkan oleh tes, bahan bakar dengan 40 persen benzena yang menghilangkan ketukan) atau alternatif persentase rendah, serupa tetapi lebih baik daripada larutan yodium 1 persen yang secara tidak sengaja ditemukan pada tahun 1919 memiliki efek yang sama.
Pada awal 1921 Kettering belajar tentang sintesis selenium oksiklorida Victor Lehner di University of Wisconsin. Tes menunjukkan bahwa itu menjadi sangat efektif tetapi, seperti yang diharapkan, juga merupakan senyawa anti-ketukan yang sangat korosif, tetapi mereka mengarah langsung untuk mempertimbangkan senyawa unsur lain dalam kelompok 16 tabel periodik: baik dietil selenida dan dietil telurida menunjukkan anti yang lebih baik. -mengetuk sifat, tetapi senyawa yang terakhir beracun ketika dihirup atau diserap melalui kulit dan memiliki bau bawang putin yang kuat. Timah tetraetil adalah senyawa berikutnya yang ternyata cukup efektif, dan pada tanggal 9 Desember 1921, larutan timbal tetraetil (TEL) 1 persen — (C2H5)4 Pb — tidak menghasilkan ketukan pada mesin uji, dan segera ditemukan efektif bahkan ketika ditambahkan dalam konsentrasi serendah 0,04 persen volume.
TEL awalnya disintesis di Jerman oleh Karl Jacob Löwig pada tahun 1853 dan tidak pernah digunakan secara komersial sebelumnya. Pada bulan Januari 1922, DuPont dan Standard Oil of New Jersey dikontrak untuk memproduksi TEL, dan pada bulan Februari 1923 bahan bakar baru (dengan campuran aditif ke dalam bensin di pompa melalui alat sederhana yang disebut ethylizers) tersedia untuk umum dalam jumlah kecil. jumlah SPBU. Bahkan ketika komitmen terhadap TEL terus berlanjut, Midgley dan Kettering mengakui bahwa “tidak diragukan lagi alkohol adalah bahan bakar masa depan”, dan perkiraan menunjukkan bahwa 20 persen campuran etanol dan bensin yang dibutuhkan pada tahun 1920 dapat dipasok hanya dengan menggunakan sekitar 9 persen. tanaman gandum dan gula negara sambil memberikan pasar tambahan bagi petani AS. Dan selama periode antarperang banyak negara Eropa dan beberapa negara tropis menggunakan campuran etanol 10–25 persen (terbuat dari surplus tanaman pangan dan limbah pabrik kertas) dan bensin, diakui untuk pasar yang relatif kecil karena kepemilikan mobil keluarga sebelum Perang Dunia II di Eropa hanya sebagian kecil dari rata-rata AS.
Alternatif lain yang diketahui termasuk cairan kilang retak fase uap, campuran benzena, dan bensin dari minyak mentah naphthenic (mengandung sedikit atau tanpa lilin). Mengapa GM, yang sangat menyadari kenyataan ini, memutuskan tidak hanya mengejar rute TEL saja tetapi juga mengklaim (meskipun pemahamannya benar) bahwa tidak ada alternatif yang tersedia: “Sejauh yang kita ketahui saat ini, timbal tetraetil apakah satu-satunya bahan yang tersedia yang dapat membawa hasil ini”? Beberapa faktor membantu menjelaskan pilihan tersebut. Rute etanol akan membutuhkan pengembangan skala besar dari industri baru yang didedikasikan untuk aditif bahan bakar otomotif yang tidak dapat dikendalikan oleh GM. Selain itu, seperti yang telah disebutkan, opsi yang lebih disukai, memproduksi etanol dari limbah selulosa (sisa tanaman, kayu), daripada dari tanaman pangan, terlalu mahal untuk dilakukan. Faktanya, produksi skala besar etanol selulosa dengan konversi enzimatik baru, yang dijanjikan akan menjadi sangat penting di abad ke-21, telah gagal memenuhi harapannya, dan pada tahun 2020 produksi etanol AS dalam jumlah besar (digunakan sebagai aditif anti ketukan) terus didasarkan pada fermentasi jagung: pada tahun 2020 diklaim hampir persis sepertiga dari panen jagung negara.
Semua produk yang direkomendasikan oleh Engadget dipilih oleh tim editorial kami, terlepas dari perusahaan induk kami. Beberapa cerita kami menyertakan tautan afiliasi. Jika Anda membeli sesuatu melalui salah satu tautan ini, kami dapat memperoleh komisi afiliasi. Semua harga adalah benar pada saat penerbitan.