BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI Salah satu jenis penggerak mula yang banyak dipakai adalah mesin kalor, yaitu mesin yang menggunakan energi thermal untuk melakukan kerja mekanik atau mengubah thermal menjadi energi mekanik. Energi itu sendiri dapat diperoleh dengan proses pembakaran atau proses-proses lain. Ditinjau cara memperoleh energi thermal ini, mesin kalor dapat dibagi menjadi dua yaitu : 2.1 Mesin Pembakaran Dalam Mesin pembakaran dalam pada umumnya di kenal dengan pembakaran dalam motor. Dalam kelompok ini terdapat motor bakar torak, turbin gas dan propulsi pancar gas. Proses pembakaran langsung dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran yang terjadi sekaligus berfungsi sebagai fluida kerja. Motor bakar torak mempergunakan beberapa silinder yang di dalamnya terdapat torak yang bergerak recipcrocation (bolak-balik). Didalam silinder itu terjadi pembakaran antara bahan bakar dan udara. Silinder dan torak ada dalam sistem turbin dan gas. Pada motor ini yang berfungsi sebagai fluida kerja itu 8

2 memutar roda turbin bersudu. Sejumlah roda sudu pada roda turbin berfungsi mengubah momentum fluida kerja yang mengalir diantara sudu tersebut. Mesin propulsi pancar gas adalah mesin yang menghasilkan gaya dorong, gaya tersebut terjadi karena adanya perubahan momentum gas yang mengalir melalui mesin tersebut. 2.2 Mesin Pembakaran Luar Pada mesin pembakaran luar proses pembakaran terjadi di luar mesin, energi thermal dari gas pembakaran di pindahkan ke fluida dasar mesin melalui beberapa dinding pemisah, contoh mesin uap (steam engine). Semua energi yang diperlukan oleh mesin itu mula-mula meninggalkan gas hasil pembakaran yang tinggi temperaturnya melalui dinding pemisah kalor atau ketel uap, energi itu kemudian masuk ke fluida kerja yang kebanyakan terdiri dari air atau uap. 2.3 Klasifikasi Motor Bakar Motor bakar dapat di klasifikasikan menjadi beberapa jenis berdasarkan berbagai hal, yaitu : 1. Langkah operasi, berdasarkan operasi motor bakar dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu siklus 4-langkah, tergantung dari jumlah langkah yang diperlukan untuk menyelesaikan satu siklus kerja. 2. Bahan bakar, berdasarkan bahan bakar motor bakar dapat 9

3 diklasifikasikan menjadi dua jenis bahan bakar yaitu bahan bakar cair dan gas 3. Penyalaan, berdasarkan metode penyalaan, motor bakar dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis, yaitu spark ignition engine dan compression ignition engine. Pada spark ignition engine, penyalaan mesin terjadi karena loncatan arus listrik pada elektroda busi, sedangkan compression ignition engine, penyalaan mesin terjadi karena kompresi bahan bakar yang tinggi didalam silinder. 4. Perancangan dasar, motor bakar torak dapat dibagi berdasarkan susunan silinder, misalnya: segaris (inline), v-engine, radial, berhadapan dan rotary 2.4 Motor Bensin (Mesin Otto) Dewasa ini mesin otto dikenal dengan motor bensin, yaitu salah satu jenis motor yang termasuk dalam mesin kalor (heat engine). Secara umum didefinisikan sebagai salah satu mesin yang mengubah energy kimia menjadi energy panas, selanjutnya energy panas dirubah menjadi energy mekanis langsung oleh fluida kerja tersebut pada proses konversi energy di atas hasil sisa gas pembakaran langsung di gunakan fluida kerja. Mesin otto terbagi menjadi dua bagian menurut langkah kerjanya yaitu 2- langkah dan mesin 4- langkah. 10

4 Yang membedakan antara kedua jenis motor bakar tersebut ialah prinsip kerjanya, pada mesin 2-langkah yaitu motor yang siklus kerjanya berlangsung dengan dua kali gerakan torak atau satu putaran poros engkol, pada mesin ini tidak terdapat katup masuk dan buang, pemasangan dan pembuangan gas di atur melalui saluran yang terdapat pada sekitar dinding silinder. Lubanglubang saluran ini dapat menutup dan membuka karena gerakan torak dalam silinder, untuk selanjutnya mesin 2- langkah tidak di bahas. 2.5 Mesin Otto 4- Langkah Disebut mesin 4-langkah atau 4-tak karena siklus kerjanya memerlukan empat tahapan atau empat langkah torak atau dua putaran poros engkol Proses kerja Mesin Otto 4-Langkah Mesin 4 Langkah adalah mesin yang melakukam dua kali putaran poros engkol atau 4 kali langkah bolak balik piston untuk menghasilakan 1 kali usaha. Adapun siklus kerjanya adalah 11

5 Gambar 1. Siklus kerja 4 Tak Sumber: dokumen pribadi 1. Langkah Hisap Langkah hisap adalah langkah dimana campuran bahan bakar dan udara dihisap ke dalam silinder. Proses yang terjadi pada saat langkah hisap adalah katup buang tertutup, katup hisap terbuka, Piston bergerak dari Titik Mati Atas (TMA) ke Titik Mati Bawah (TMB). Gerakan torak menyebabkann ruang didalam silinder menjadi vakum, sehingga campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder. 2. Langkah Kompresi Langkah kompresi adalah langkah dimana campuran bahan bakar dan udara dikompresikan atau ditekan di dalam silinder. Proses yang terjadi pada langkah kompresi adalah kedua katup tertutup, piston bergerak dari Titik Mati Bawah 12

6 (TMB) ke Titik Mati Atas (TMA). Karena gerakan piston maka volume ruang bakar akan mengecil sehingga tekanan dan 13amper13ture campuran bahan bakar dan udara didalam silinder naik. 3. Langkah Usaha Langkah usaha adalah langkah yang dihasilkannya kerja dari 13amper pembakaran campuran bahan bakar dan udara di dalam silinder. Posisi kedua katup tertutup, beberapa derajat sebelum TMA, spark plug akan memercikan bunga api sehingga campuran udara dan bahan bakar akan terbakar. Terjadinya pembakaran menyebabkan gas didalam silinder mengembang, tekanan dan 13amper13ture naik. Tekanan pembakaran mendorong piston bergerak ke TMB, gerakan inilah yang menjadi tenaga motor. 4. Langkah Buang Langkah buang adalah langkah dimana gas sisa pembakaran dikeluarkan dari silinder. Pada saat langkah buang, katup buang terbuka, katup hisap tertutup, piston akan bergerak dari TMB ke TMA, gas buang akan keluar ke exhaust manifold. 13

7 2.5.2 Volume Langkah Torak Volume langkah adalah jumlah volume dari posisi TMA dan TMB (Untuk mesin yang silindernya lebih dari satu dipakai istilah total displacement). Pada umumnya displacement makin besar, menghasilkan output yang lebih besar pula [2] V = D2 x L x N ( 2.1) π : perbandingan dari keliling lingkaran terhadap garis tengah lingkaran tersebut V D L N : Piston displacement (mm) : Diameter silinder (mm) : Langkah piston (mm) : Jumlah Silinder 2.6 Sistem Campuran Bahan Bakar dan Udara Mobil menggunakan salah satu diantara dua peralatan atau sistem bahan bakar untuk mengalirkan campuran bahan bakar dan udara yang tepat pada setiap rpm yaitu sistem karburator dan sistem bahan bakar injeksi. Kedua sistem tersebut mengatur volume udara dan bahan bakar dan menyalurkannya ke dalam silinder-silinder. Sistem karburator telah digunakan pada keseluruhan mesin bensin pada masa lalu. Tetapi akhir-akhir ini untuk memenuhi permintaan membersihkan gas 14

8 buang (emisi), penggunaan bahan bakar yang lebih ekonomis, karburator digantikan oleh sistem bahan bakar injeksi. Sistem injeksi juga mengalami penyempurnaan dan pengembangan, berikut ini adalah sejarah pengembangan sistem injeksi : 1. D-Jetronic ( ) D-Jetronic (Injeksi sistem D) merupakan sistem injeksi yang menggunakan perubahan tekanan udara di dalam intake manifold sebagai referensi untuk pengukur jumlah udara. Gambar 2. Sitem Injeksi D-Jetronic Sumber : BOSCH cd interaktif 2. K-Jetronic ( ) K-jetronic (injeksi sitsem K) merupakan sistem injeksi yang menggunakan sistem mekanis dan sesuai namanya, secara kontinyu menyemprotkan bahan bakar ke intake manifold. Injektor masih membuka secara mekanis berdasarkan tekanan bahan bakar yang diatur 15

9 oleh fuel distributor. Gambar 3. Sistem Injeksi K- Jetronic Sumber : dokumen pribadi 3. KE- Jetronic ( ) KE-jetronic (injeksi sistem KE) merupakan sistem injeksi yang menggunakann sistem mekanis seperti halnya K-jetronic, hanya saja aliran bahan bakar ke injektor sudah diatur secara elektronik Gambar 4. Sistem Injeksi KE- Jetronic 16

10 Sumber : dokumen pribadi 4. L- Jetronic ( ) L jetronic (injeksi sistem L) merupakan sistem injeksi yang menggunakan banyaknya aliran udara sebagai referensi pengukur udara untuk menentukan banyaknya penginjeksian. Untuk mengukur aliran udara menggunakan Air Flow Meter. Gambar 5. Sistem Injeksi L- Jetronic Sumber: BOSCH cd interaktif 5. LH- Jetronic ( ) LH-jetronic (Injeksi sistem LH) merupakan sistem injeksi yang mirip dengan L jetronic, hanya saja untuk mengukur udara menggunakan air mass meter yang mengukur masa udara di dalam sistem 17

11 Gambar 6. Sistem Injeksi LH- Jetronic Sumber :dokumen pribadi 6. Mono Jetronic ( ) Mono Jetronic adalah sistem bahan bakar yang hanya mempunyai satu (1) injektor untuk menyemprotkan bahan bakar ke intake manifold. Injektor terletak di tengah-tengah intake manifold seperti halnya karburator. Gambar 7. Sistem Injeksi Mono- Jetronic Sumber : 18

12 7. Digifant Engine Management System (1986- ) Digifant engine management System adalah sistem yang dikembangkan dari semua sistem bahan bakar injeksi yang di integrasikan dengan pengaturan sistem pengapian Gambar 8. Digifant Engine Management System Sumber: dokumen pribadi Keistimewaan Sistem Bahan Bakar Injeksi Dibanding dengan karburator, Engine Management System mempunyai keuntungan sebagai berikut : 1. Memungkinkan pembentukan campuran yang homogen pada setiap silinder Oleh karena setiap silinder mempunyai satu injektor yang tepat dikontrol oleh ECM yang sesuai dengan putaran mesin dan perubahan beban, hal ini memungkinkan distribusi bahan bakar kesetiap silinder akan homogen. 19

13 Selanjutnya perbandingan bahan bakar dan udara dapat dikontrol dengan mudah oleh ECM dengan merubah waktu bekerjannya injektor (fuel injection duration). Untuk ulasan ini, campuran bahan bakar dan udara yang didistribusikan keseluruh silinder sama dan membentuk perbandingan bahan bakar dan udara optimal, kejadian di atas ini juga akan menguntungkan aspek emission control dan kemampuan tenaga mesin. 2. Perbandingan bahan bakar dan udara diperoleh pada setiap rpm mesin Dengan sistem bahan bakar injeksi, pengiriman campuran bahan bakar dan udara akan berlangsung terus menerus dengan tepat dan pengiriman tersebut tidak tergantung pada kecepatan putaran mesin dan beban. Inilah yang merupakan keuntungan dari aspek emission control dan penghematan bahan bakar. 3. Respon yang baik sesuai dengan perubahan throttle Dengan menggunakan sistem bahan bakar injeksi, masing-masing injektor dipasangkan didekat silinder, dan bahan bakar ditekan dengan tekanan 2-3 kg/cm 2 lebih tinggi dari tekanan intake manifold dan karena bahan bakar injeksi melalui lubang kecil sehingga mudah membentuk kabut. Oleh karena itu, volume bahan bakar yang diinjeksi secara serentak berubah dengan perubahan volume udara masuk sesuai dengan membukanya dan menutupnya throttle valve. Singkatnya, respon yang baik sesuai dengan 20

14 perubahan posisi pedal akselerasi 4. Koreksi campuran bahan bakar dan udara Kemampuan untuk menghidupkan mesin pada temperatur rendah lebih baik, dikarenakan adanya informasi dari sensor temperatur air yang kemudian diolah oleh ECM sehingga ECM akan menyemprotkan bahan bakar lebih lama. Selama desakseleraksi dan rpm tinggi sampai throttle tertutup volume udara yang masuk akan dikurangi dan kevacuman didalam intake manifold akan menjadi besar. Pada sistem bahan bakar injeksi saat throttle valve mulai menutup bahan bakar yang diinjeksi dihentikan sementasa sampai batas rpm tertentu sehingga mengurangi konsumsi bahan bakar. 5. Efisiensi pemasukan campuran bahan bakar dan udara Pada Engine Management System akan selalu digunakan tekanan bahan bakar sebesar 2-3 kg/cm 2 akan diperoleh pengabutan yang baik sehingga tidak diperlukan venturi. Juga manifold dapat dibuat lebih besar sehingga inersia udara masuk dapat digunakan memasukkan campuran bahan bakar udara lebih banyak. 6. Pembakaran lebih tepat dan sempurna Sistem pengapian juga diatur oleh ECM, Sensor mengirimkan beban mesin dan putaran mesin untuk memberi informasi basic ignition timing point. 21

15 2.6.2 Konstruksi Dasar Engine Management system Engine management system dibagi ke dalam tiga sistem, sistem kontrol elektronik (electronic control system), sistem bahan bakar (fuel system), dan sistem induksi udara (Air induction System) seperti terlihat pada diagram dibawah. ELECTRONIC CONTROL FUEL SYSTEM AIR INDUCTION SYSTEM Sensors Water Temperatur Sensor, Intake Temperatur Sensor, Throttle Position Sensor, Knock Sensor, Lamda sensor Ignition signal (Engine RPM) ECM Mengatur volume penginjeksian Fuel Fuel Pump Fuel Filter Pressure Regulator Injektor Air Filter Air Mass Throttle Body Air Valve Air Intake Chamber Intake Manifold Air Mass Sensor Mengukur udara yang masuk ke dalam intake manifold Gambar 9. Skema Konstruksi Engine Managemen System Sumber: dokumen pribadi 22

16 2.6.3 Basic Injection Control Pengontrolan injeksi dasar ini mempertahankan perbandingan optimum (disebut perbandingan teoritis) dari bahan bakar dan udara yang mengalir kedalam masing-masing silinder Dengan demikian jika udara masuk bertambah volume bahan bakar yang diinjeksikan bertambah sebanding dengan masuknya udara tersebut atau jika volume udara masuk berkurang volume bahan bakar yang di injeksikan juga berkurang Aliran Udara pada tipe LH Bila throttle valve terbuka udara dari air cleaner akan mengalir melalui air mass meter, throttle valve dan intake manifold. Pada saat udara mengalir ke air mass meter, udara akan mendinginkan semikonduktor yang terdapat didalam air mass, dan ECM akan menambahkan arus untuk mempertahankan suhu semikonduktor tersebut. Arus yang digunakan ini diterjemahkan sebagai massa udara yang masuk. 23

17 Gambar 10. Aliran Udara pada tipe LH Sumber : dokumen pribadi Aliran Udara pada tipe D Bila throttle valve terbuka dari air cleaner akan mempengaruhi tekanan didalam intake manifold, hal tersebut akan dideteksi oleh Manifold Absolute Pressure Sensor. Perubahan tekanan tersebut akan merubah piezo resitif didalam MAP sensor sehingga tahanan berubah, hal ini akan mempengaruhi tegangan yang kembali ke ECM. 24

18 Gambar 11. Aliran Udara pada tipe D Sumber: BOSCH cd interaktif Aliran Bahan Bakar Bahan bakar mengalir dari tangki bahan bakar dengan adanya pompa bahan bakar disalurkan dengan tekanan rendah ke injektor melalui filter bahan bakar. Pressure regulator mengatur atau mengontrol tekanan aliran bahan bakar (bagian tekanan tinggi). Kelebihan bahan bakar kembali ke tangki melalui pipa pembalik. Injektor berfungsi menginjeksikan bahan bakar ke dalam intake manifold sesuai dengan kalkulasi signal injeksi komputer. 1. Pompa Bahan Bakar Pompa bahan bakar berfungsi untuk mensuplai bahan bakar di dalam sistem bahan bakar. Ada dua pompa bahan bakar, pompa yang terpasang 25

19 didalam tangki (in-tank type) dan pompa yang terpasang diluar tangki (inline type) Gambar 12. Pompa Bahan Bakar Sumber : diktat autoservice 2. Saringan Bahan Bakar Saringan bahan bakar menyaring kotoran dan partikel-partikel asing lainnya dari bahan bakar. Gambar 13. Saringan Bahan Bakar Sumber : 26

20 3. Fuel Rail Fuel rail menyuplai bahan bakar ke semua injektor dengan jumlah dan tekanan yang sama. Fuel rail juga menjamin suplai bahan bakar pada saat kebutuhan bahan bakar bervariasi. Semua injektor terpasang pada fuel rail dan dirancang mudah dalam pemasangan dan pembongkaran. Gambar 14. Gambar fuel rail Sumber : 4. Pressure Regulator Pressure ragulator berfungsi mengatur tekanan bahan bakar ke injektorinjektor. Jumlah injeksi bahan bakar dikontrol sesuai lamanya signal yang diberikan ke injektor-injektor, karena itu tekanan konstan pada injektor harus dipertahankan. Gambar 15. Pressure Regulator Sumber : dokumen pribadi 27

21 5. Injektor Injektor adalah nosel elektromagnet yang akan menginjeksi bahan bakar sesuai dengan signal dari ECM. Injektor-injektor dipasang melalui insulator ke intake manifold atau cylinder head dekat lubang pemasukan. Satu silinder mempuyai satu injektor, injektor membuka sekitar 0.1 mm dan mengabutkan bahan bakar. Untuk mengatur banyak sedikitnya penyemprotan, ECM akan mengirim signal lebih lama. Gambar 16. Injektor Sumber : dokumen pribadi Sistem Pemasukan Udara Udara dari air cleaner lewat melalui air mass (tipe LH) sebelum mengalir di intake chamber. Volume udara yang mengalir ke air intake chamber ditentukan oleh tingkat membukannya throttle valve. Dari intake chamber, udara didistribusikan ke setiap manifold dan mengalir ke dalam ruangan bakar. Bila keadaan mesin masih dingin, air valve akan terbuka dan udara mengalir melalui air intake chamber. Sekalipun throttle valve keadaan tertutup, udara akan mengalir ke intake chamber untuk menambah putaran idle (disebut fast idle ). 28

22 Bagian-bagian komponen seperti terlihat dibawah ini : Air Mass Air Flow Intake Air Pipe Throttle Intake Air Chamber Intake Manifold Air Valve Cylinder Gambar 17. Sistem Air Induction Sumber: dokumen pribadi 1. Throttle Body Throttle Body terdiri dari throttle valve, yang mengatur volume udara masuk selamaa mesin bekerja normal, dan saluran bypass mengalirkan volume udara selama mesin berputar idling 29

23 Gambar 18. Throttle Body Sumber: dokumen pribadi 2. Idle Speed Control Air valve digunakan untuk putaran fast-idle ketika mesin masih dingin, dan juga digunakan untuk menaikan putaran mesin ketika AC di aktifkan. Gambar 19. Idle Speed Control Sumber: Sistem Kontrol Elektronik Sistem Kontrol Elektronik terdiri dari beberapa sensor, yang mendeteksi beberapa kondisi mesin: ECM berfungsi untuk mengkalkulasi volume injeksi (lamanya injeksi) sesuai dengan signal-signal (data) dari sensor-sensor dan 30

24 aktuator-aktuator, yang mengontrol injeksi bahan bakar berdasarkan signalsignal ECM. Sensor-sensor ini mendeteksi volume udara masuk, beban mesin, temperatur udara dan pendingin, akselerasi/penurunan kecepatan (decelaration), dan mengirimkan signal-signal ke ECM. Kemudian ECM menentukan lamanya injeksi yang tepat dan mengirimkan signal ke injektor-injektor. Injektor-injektor menginjeksikan bahan bakar ke intake manifold sesuai dengan signal ini. Volume injeksi tergantung dari lamanya signal ECM. Blok diagram dari electronic control system dapat dilihat dari gambar dibawah. Gambar 20. Engine Management System Sumber : dokumen pribadi 31

25 Bagian ini menjelaskan beberapa komponen dan signal-signal, - Sensor Pengukur Udara (MAP atau MAF) - Crankshaft Position Sensor - Camshaft Position Sensor - Water Temperatur Sensor - Intake Air Temperatur Sensor - Throttle Position Sensor - Knock Sensor - Lamda Sensor 1. Sensor Pengukur Udara Volume udara yang masuk kedalam silinder ditentukan oleh membukanya throttle valve dan putaran mesin. Fungsi sensor pengukur udara adalah mengukur udara yang masuk ke saluran hisap guna menentukan banyaknya udara masuk sehingga dapat digunakan untuk menentukan volume dasar injeksi. Hal ini dapat dilakukan oleh Air Mass Sensor, Air Flow Sensor atau menggunakan Manifold Absolute Pressure Sensor. a. Air Flow Sensor Udara yang masuk mengalir melalui Air Flow Meter membuka measuring plate yang ditahan oleh return spring. Measuring plate 32

26 dan potentiometer bergerak pada sumbu yang sama sehingga sudut membukanya measuring plate dirubah menjadi perbandingan tegangan (voltage ratio) oleh potentiometer. Selanjutnya voltage ratio ini yang akan gunakan oleh Electronic Control Module untuk menentukan udara yang masuk. Gambar 21. Air Flow Sensor Sumber: b. Air Mass Sensor Didalam Air Mass sensor terdapat plat film tipis yang dipanasi oleh arus listrik, plat film ini mempunyai konstanta panas yang tetap, pengaturan konstanta panas ini dilakukan oleh Control Module. Pada waktu udara mengalir, film akan menjadi dingin, jika film dingin, maka akan diperlukan arus yang lebih besar untuk memanaskannya, agar suhu plat film konstan kembali. Dari perubahan arus listrik inilah control unit dapat mengatur volume penyemprotan bahan bakar oleh injektor sesuai dengan 33

27 perbandingan udara yang masuk ke silinder. Gambar 22. Air Mass Meter Sumber : c. Manifold Absolute Presure Sensor Manifold pressure sensor bekerja berdasarkan prinsip dari tekanan didalam intake manifold. Tekanan yang sebenarnya ini sebanding dengan udara yang dialirkan di dalam intake manifold dalam satu siklus. Volume udara yang masuk dapat ditentukan dengan mengukur tekanan intake manifold. Tekanan intake manifold disensor oleh silicon chip. Sifat dari silicon chip ini seperti tekanan yang terbentuk didalam chip dirubah kedalam bentuk nilai resistan, yang akan dideteksi secara electrical oleh IC yang ada didalam sensor. 34

28 Gambar 23. Map Sensor Sumber : 2. Crankshaft Position Sensor Crank Shaft Position sensor berfungsi untuk mendeteksi putaran mesin dan juga untuk mengetahui titik mati atas (TMA) pada silinder pertama, sehingga dapat dipakai sebagai acuan untuk waktu pengapian, waktu penginjeksian dan siklus kerja mesin. Gambar 24. Crankshaft Position Sensor Sumber : 3. Camshaft Position Sensor Camshaft Position Sensor juga berfungsi untuk mendeteksi putaran 35

29 mesin dan juga untuk mengetahui titik mati atas (TMA) pada silinder pertama, sehingga dapat dipakai sebagai acuan untuk waktu pengapian, waktu penginjeksian dan siklus kerja mesin. Gambar 25. Camshaft Position Sensor Sumber : 4. Water Temperatur Sensor Sensor ini mendeteksi suhu air pendingin dengan thermister yang ada didalamnya. Bila temperature masih rendah penguapan bensin akan rendah, sehingga diperlukan campuran gemuk. Dengan alasan ini, bila suhu air pendingin rendah, tahanan dari thermister besar dan signal tegangan yang dihasilkan water temperature sensor akan tinggi dan selanjutnya signal dikirim ke ECM. Berdasarkan signal ini, ECM menambah volume bahan bakar yang diinjeksikan agar menambah kemampuan pengendaraan selama mesin masih dingin. 36

30 Gambar 26. Water Temperatur Sensor Sumber : 5. Intake Air Temperature Sensor Sensor ini mendeteksi suhu udara yang masuk seperti halnya water temperature sensor, sensor ini dilengkapi thermister dan terletak di saluran masuk atau terkadang menyatu di air mass sensor. Volume dan kepadatan (density) udara berubah sesuai dengan berubahnya temperature udara. Oleh karena itu meskipun volume udara yang diukur air flow meter kemungkinan sama, tetapi jumlah injeksi bahan bakar akan berubah sesuai dengan berubahnya temperature diatas 20 0 C dan berambah bila temperature di bawah 20 0 C. 37

31 Gambar 27. Intake Air Temperature Sensor Sumber : 6. Throttle Position Sensor Throttle position sensor dipasangkan jadi satu dengann throttle body. Sensor ini merubah sudut membukanya throttle menjadi tegangan dan mengirimkan ke ECM sebagai signal sudut terbuka throttle. Gambar 28. Throttle Position Sensor Sumber : 38

32 7. Knock Sensor Knock sensor berfungsi untuk memberikan informasi terjadinya knocking pada mesin yang dikarenakan pengapian yang lebih awal ataupun detonasi. Selanjutnya ECM akan mengkoreksi timing pengapian. Prinsip kerjanya knock sensor menggunakan komponen piezoelectric, bila terjadi getaran pada komponen, electron akan berpindah sehingga terjadilah arus listrik. Arus ini akan dikirimkan ke ECM. Gambar 29. Knock Sensor Sumber : smart-stuff.co.uk 8. Oksigen Sensor Lamda sensor atau Oksigen sensor berfungsi untuk memberikan informasi tentang kadar oksigen yang terdapat dalam gas buang kepada ECM. Sehingga ECM akan mengkoreksi frekuensi penyemprotan bahan bakar oleh injektor pada saluran masuk. 39

33 Gambar 30. Lamda Sensor Sumber : mazdarotaryparts.com Fungsi ECM ECM mempunyai dua fungsi utama yaitu mengatur waktu injeksi dan mengatur volume injeksi. Pengaturan waktu injeksi ditetapkan bila setiap injektor akan menginjeksikan bahan bakar ke dalam silinder. Penetapan ini berdasarkan signal primer pengapian, kontrol volume penyemprotan bahan bakar menetapkan beberapa banyak bahan bakar yang akan diinjeksikan ke dalam silinder. Penetapan ini berdasarkan dari 1. Signal penyemprotan bahan bakar dasar ditentukan oleh signal putran mesinn dan signal udara masuk. 2. Koreksi penyemprotan bahan bakar juga terdapat sirkuit penguat, yang mengoperasikan injektor 40

34 Gambar 31. Electronic Control Module Sumber : 1. Kontrol Masa penginjeksian Pada sistem bahan bakar injeksi, bahan bakar diinjeksikan kedalam manifold sesuai dengan mode yang ditaman ke dalama ECM yaitu bersamaan, group atau berurutan (sequensial) sesuai firing order. Dalam hal ini ECM mengontrol waktu memasakan injektor, sehingga injektor membuka. Informasi saat penyemprotan didapat dari crankshaft position sensor ataupun camshaft position sensor. 2. Kontrol Volume Penginjeksian Dengan memanfaatkan crankshaft position sensor ataupun camshaft position sensor, sensor pengukuran udara maka ECM menghasilkan signal injeksi dasar. Selanjutnya berbagai sirkuit koreksi injeksi, membentuk koreksi-koreksi pada signal basic injection sesuai dengan signal-signal dari setiap sensor, dan selanjutnya diperkuat untuk mengoperasikan injektor-injektor. 41

35 3. Koreksi Penginjeksian a. Pada saat start dingin Pada saat start dingin terjadi proses pengayaan (enrichment) bahan bakar. Pengayaan (enrichment) ini menambah volume injeksi sesuai dengan temperature air pendingin (selama temperatur rendah volume injeksi lebih banyak). Volume injeksi akan berkurang secara berangsur-angsur sesuai dengan basic injection volume. b. Saat pemanasan Untuk memperbaiki kestabilan pengendaraan selama mesin bekerja waktu dingin (temperatur dibawah 60 0 C), volume injeksi bertambah sesuai dengan signal dari water temperature sensor. Pada saat ini juga idle speed control juga bekerja menaikan putaran mesin c. Akselerasi Untuk meningkatkan kemampuan pengendaraan dan pada saat mesin dingin terdapat akselerasi pengayaan (enrichment). Bila throttle position sensor terbuka, pengayaan berlangsung. Dan apabila pembukaan throttle terbuka secara tiba-tiba maka volume penginjeksian akan ditambah. d. Sistem tenaga Apabila throttle terbuka melebihi 50 0 maka volume penginjeksian 42

36 juga akan bertambah e. Fuel Cut Off Bila putaran mesin diatas batas yang ditetapkan pada saat idle (umumnya di putaran diatas 5000) atau putaran mesin tinggi pada kecepatan tinggi, maka injeksi bahan bakar akan dihentikan untuk mencegah putranan berlebih (over running) dan agar emisi bersih dan memperbaiki konsumsi bahan bakar yang eknonomis (fuel economy). Demikian juga ketika throttle tertutup tiba-tiba pada saat disakselerasi, injeksi bahan bakar juga dihentikan. 4. Kontrol Pengapian a. Waktu pengapian Dengan memanfaatkan crankshaft position sensor ataupun camshaft position sensor maka ECM menghasilkan signal pengapian sesuai dengan firing order. b. Pengajuan pengapian Dengan memanfaatkan crankshaft position sensor ataupun camshaft position sensor, throttle position sensor dan knock sensor maka ECM menghasilkan signal pemajuan pengapian berdasarkan putaran mesin, berdasarkan pembukaan throttle dan koreksi pengapian. 43

37 2.7 Emisi Gas Buang Gas buang kendaraan bermotor terdiri atas zat yang tidak beracun, sehingga nitrogen (N2) karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O) dan zat beracun seperti karbon monooksida (CO) hidro karbon (HC), oksida nitrogen (NOx), sulfur oksida (SOx), zat debu timbal (Pb), dan partikulat. Komposisi zat-zat yang dikeluarkan dari knalpot digambarkan pada gambar dibawah. Gambar 32. Komposisi Gas Buang Sumber : audi ssp 230 Dari gambar tersebut komposisi gas buang adalah 71% N, 14 % CO2, 13% H 2 O, Pengetahuan dasar gas buang 1. Komposisi Udara 44

38 O2 21% Udara CO2, CO, Nox, Sox, HC 1% N2 78% Gambar 33. Komposisi Udara Sumber : audi ssp 230 Atmosfer bumi yang biasa disebut udara terdiri dari oksigen (O2) = 21% volume dan nitrogen (N2)= 78% volume. Sisanya 1% volume terdiri dari bermacam-macam gas, seperti argon (Ar)=0,94% volume karbon dioksida (CO2). Gas tersebut sangat bermanfaat bagi kelangsungan makhluk hidup 2. Pembakaran dan gas buang Pembakaran terjadi karena ada tiga komponen yang bereaksi, yaitu bahan bakar, oksigen dan panas. Jika salah satu komponen tersebut tidak akan timbul reaksi pembakaran. Gambar dibawah merupakan reaksi pembakaran sempurna dengan perbandingan dengan perbandingan udara dan bahan bakar 14,7:1 45

39 Gambar 34. Pembakaran Sempurna Sumber : diktat auto service Pada prakteknya, pembakaran dalam mesin tidak pernah terjadi dengan sempurna meskipun mesin sudah dilengkapi dengan sistem kontrol yang canggih. Berikut ini contoh reaksi pembakaran dalam mesin bensin dengan komposisi bensin C8H18 Gambar 35. Pembakaran Sumber : diktat auto service Dalam mesin, bensin karena tiga hal berikut ini a. Bensin dan udara bercampur homogen dengan perbandingan berat 1:14,7 b. Campuran tersebut dimampatkan oleh gerakan piston hingga tekanan dalam silinder 12 bar sehingga menimbulkan panas c. Kemudian campuran tersebut bereaksi dengan panas yang dihasilkan oleh percikan api busi, dan terjadilah pembakaran pada tekanan tinggi sehingga timbul ledakan dasyat Proses pembakaran mesin bensin tidak terjadi dengan sempurna karena lima alasan berikut ini : 46

40 a. Waktu pembakaran singkat b. overlaping katup c. udara yang masuk tidak murni oksigen d. bahan bakar yang masuk tidak murni C8H18 e. Kompresi tidak terjamin rapat sempurna Pembakaran yang tidak sempurna itu dihasilkan gas beracun, misalnya CO, HC, NO, Pb, SO, CO dan juga masih menyisakan oksigen disaluran gas buang. 3. Proses terbentuknya gas buang a. CO (Karbon Monoksida) Bila karbon didalam bahan bakar terbakar dengan sempurna, akan terjadi reaksi yang menghasilkan CO2, sebagai berikut Apabila unsur oksigen (udara) tidak cukup, pembakaran tidak sempurna sehingga karbon didalam bahan bakar terbakar dalam suatu proses sebagai berikut. Dengan kata lain, emisi CO dari kendaraan banyak dipengaruhi oleh perbandingan campuran antara udara dengan bahan bakar yang masuk ke ruang bakar (AFR). Jadi untuk menurangi CO. Perbandingan campuran ini harus dibuat kurus (excess air). Namun, akibat lain HC dan NO, lebih timbul serta output mesin menjadi kurang. 47

41 b. HC (Hidrokarbon) Sumber emisi HC dibagi menjadi dua bagian, sebagai berikut: Bahan bakar yang tidak terbakar dan keluar menjadi gas mentah Bahan bakar terpecah karena reaksi panas berubah menjadi gugusan HC lain yang keluar bersama gas buang. Sebab utama timbulnya HC, sebagai berikut : Sekitar dinding-dinding ruang bakar bertemperatur rendah, dimana temperatur itu tidak mampu menghasilkan pembakaran Missing (missfire) Adanya overlaping katup (kedua katup sama-sama terbuka) sehingga merupakan gas pembilas/pembersih. c. NOx (Nitrogen Oksida) Jika terdapat unsur N2 dan O2 pada temperatur 1800 s/d 2000 C, akan terjadi reaksi pembentukan gas NO seperti berikut ini Di udara, NO mudah berubah menjadi NO2, NOx didalam gas buang terdiri dari 95% NO, 3-4% NO2 dan sisanya N2O, N2O3, dan sebagainya Sox (Sulfur Oksida) Bahan bakar bensin mengandung unsur belerang = S (sulfur). Pada saat terjadi pembakaran, S akan bereaksi dengan H dan O untuk membentuk senyawa sulfat dan sulfur Oksida d. PB (Plumbum/Timbal) 48

42 Timah hitam dalam bensin tidak bereaksi dalam proses pembakaran sehingga setelah pembakaran akan keluar tetap sebagai timah hitam (Pb) e. O 2 (Oksigen) Pembakaran yang tidak sempurna dalam mesin menyisakan oksigen ke udara. Oksigen yang tersisa ini semakin kecil bilamana pembakaran terjadi sempurna f. H 2 O H 2 O merupakan hasil reaksi pembakaran dalam ruang bakar, dimana kadar air yang dihasilkan tergantung dari mutu bahan bakar. Makin banyak uap air dalam pipa gas buang, mengidentifikasikan pembakaran semakin baik. Semakin besar uap air yang dihasilkan, pipa knalpot tetap kelihatan bersih dan sekaligus menunjukkan makin bersih emisi yang dihasilkan Pemahaman Nilai AFR dan Lamda Alat uji emisi yang dilengkapi dengan pengukur nilai (lamda) atau AFR (air-fuel ratio) dapat mengindikasi kondisi campuran udara dan bahan bakar dalam mesin Perbandingan Udara dan Bahan Bakar 49

43 Teori Stoichiometric menyatakan, untuk membakar 1 gram bensin dengan sempurna diperlukan 14,7 gram oksigen. Dengan kata lain, perbandingan campuran yang ideal = 14,7:1. Perbandingan campuran ini disebut AFR (airfuel ratio) atau perbandingan udara dan bensin. Alat uji emisi yang menggunakan istilah AFR bisa menampilkan angka, misalnya: AFR = 14,7 berarti campuran ideal AFR > 14,7 berarti campuran kurus/miskin AFR < 14,7 berarti campuran gemuk/kaya Berikut ini adalah tabel persamaan AFR dan lamda Gambar 36. Gambar Tabel Persamaan AFR dengan Lamda Sumber : diktat auto service Pemahaman terhadap nilai ini mempermudah teknisi untuk menyatakan kondisi campuran yang masuk ke dalam mesin serta menganalisis kondisi mesin. 50

44 2.7.4 Grafik Hubungan AFR dan Gas Buang Gambar 37. Grafik hubungan AFR dan Gas buang Sumber : diktat auto service 1. Karbon Monooksida (CO; Carbon Monoxide) Subtansi CO merupakan hasil gabungan karbon dan oksigen, dimana gabungan tersebut tidak mencukupi untuk membentuk karboon dioksida (CO 2 ), CO dihasilkan manakala terjadi pembakaran tidak sempurna yang diakibatkan oleh kurangnya oksigen pada proses pembakaran dalam mesin 51

45 (campuran bensin dan udara kaya). 2. Hidrokarbon (HC; hydrocarbon) Hidrokarbon adalah bahan bakar mentah yang tidak terbakar selama proses pembakaran didalam ruang bakar, Gas ini berasal dari : a. Bahan bakar mentah yang tersisa dekat dengan dinding silinder setelah terjadinya pembakaran dan dikeluarkan saat langkah buang b. Gas yang tidak terbakar dalam ruang bakar setelah terjadi gagal pengapian (misfiring), pada saat mesin akselerasi ataupun deselerasi. 3. Nitrogen Oksida (NOx; Nitrogen Oxide) Nitrogen dihasilkan akibat adanya N 2 (nitrogen) dalam campuran udara dan bahan bakar, serta suhu pembakaran mencapai 1800 C sehingga terjadi pembentukan NOx 4. Karbon Dioksida (CO2; Carbon Dioxide) Gas CO 2 sangat berguna bagi tumbuhan pada proses asimilasi, dimana subtansi CO 2 berubah menjadi O 2 setelah asimilasi. Namun CO 2 juga bersifat menyerap panas sehingga apabila berlebihan akan meningkatkan suhu yang ada dipermukaan bumi. Semakin tinggi CO2 dalam gas buang menginsikasi bahwa semakin baik pembakaran dalam mesin. Sebaliknya semakin rendah kadar CO 2 dalam gas buang menandakan bahwa efisiensi pembakaran tidak bagus dan berarti pula kinerja mesin tidak bagus. Akibat lainnya, gas buang CO dan HC berlebihan 52

46 dan konsumsi berlebihan dan konsumsi bahan bakar meningkat. Subtansi CO 2 diukur dengan satuan % volume 5. Oksigen (O2; Oxygen) Ini merupakan sisa oksigen yang tidak ikut terbakar selama proses pembakaran akibat dari pembakaran yang tidak sempurna. Makin tinggi kadar substansi O2 dalam gas buang mesin mengindikasikan bahwa pembakaran miskin (lean combustion), dan sebaliknya. Pipa knalpot yang bocor juga akan mempengaruhi komposisi substansi O2 dalam gas buang yang terukur. Substansi O2 diukur dalam satuan % volume. Kadar O2 yang berlebihan dalam gas buang mengindikasi bahwa pembakaran terjadi dengan miskin. Berarti hanya sebagian kecil dari oksigen yang terbakar dan sebagian kecil pula bahan bakar yang terbakar. Keadaan seperti ini menyebabkan hal yang sama sebagaimana jika CO2 rendah. 2.8 Scan Tools Otomotif Scan Tools Otomotif adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk berkomunikasi dengan control module, menampilkan data, mendiagnosa dan kadangkala untuk memprogram ulang control modul. Ada banyak sekali scan tools yang beredar dipasaran seperti Snap On, BOSCH, Launch, Auto Land, dll. Mereka memproduksi scan tools yang 53

47 bervareasi dari yang sekedar membaca kode kesalahan yang simple sampai yang mampu memprogram ulang Scan tools dihubungkan dengan kendaraan melalui Data Link Conector (DLC) dan, tergantung pada jenis scan tools nya mungkin hanya dapat membaca Diagnosis Trouble Codes atau DTC atau mampu menampilkan live data stream (input dan output), mampu untuk mengontrol dan mungkin mengkalibrasi ulang. Hanya saja untuk memprogram ulang tidak dapat menggunakan scan tools general, harus menggunakan scan tools dari pabrikan. Gambar 38. Scan Tools Sumber Kemampuan Scan Tools Berikut ini adalah fungsi dan kemampuan scan tools 1. Membaca Kode kesalahan Setiap komponen sensor dan actuator mengirimkan signal ke ECU dan 54

48 ECU akan meproses kembali sinal tersebut sebagai indikasi bahwa komponen berjalan dengan baik. Apabila ada malfungsi dari komponen karena ada signal yang tidak sesuai, maka ECU akan mencatatnya didalam ROM dan akan menyalakan lampu check engine, dan membuat kode kesalahan. Kode kesalahan ini dapat di akses menggunakan scan tools 2. Menghapus kode kesalahan Setelah melakukan proses perbaikan terhadap kerusakan, maka perlu menghapus kode kesalahan, agar ECM mengetahui bahwa sensor sudah beroperasi dengan baik. 3. Membaca Data Aktual Data aktual adalah data yang ditampilkan oleh scanner tentang semua data komponen yang sedang berjalan. Contohnya adalah tampilan suhu mesin, putaran mesin, timing pengapian, dan lain-lain. 4. Actuation Test Actuation test adalah proses untuk memerintah actuator melalui scan tools seperti membuka injector, dan komponen actuator yang lain, untuk memeriksa fungsional komponen 5. Workshop Support Workshop support adalah menu proses untuk melakukan penyetelan kembali kekondisi setelan pabrik, misalkan putaran idle, timing 55

49 pengapian 6. Adaptation Adaptation adalah menu proses merubah nilai-nilai operasi dalam ECM, hal ini diperlukan apabila kondisi keausan komponen terjadi, atau terjadi penggantian komponen system lain seperti penggantian kunci, atau instrument cluster 2.9 Gas Analyzer Gas analyzer adalah peralatan yang mengukur kadar campuran gas buang pada kendaraan. Umumnya yang beredar di pasaran adalah fourgas analyzer, yaitu untuk mendeteksi CO, CO2, HC, dan O2. dan juga dapat menunjukkan λ. Sebuah analisa Gas Analyzer mengukur gas dengan menentukan penyerapan sumber cahaya yang dipancarkan inframerah melalui sampel udara tertentu. Analisis gas inframerah biasanya memiliki dua kamar, satu ruang referensi sementara ruang lain adalah ruang pengukuran. Cahaya inframerah yang dipancarkan dari beberapa jenis sumber di salah satu ujung ruangan, melewati serangkaian kamar yang berisi jumlah yang diberikan dari berbagai gas yang bersangkutan. analisis modern juga menggunakan teknologi inframerah untuk 56

50 mendeteksi nondispersive gas tertentu dengan mendeteksi penyerapan panjang gelombang inframerah yang merupakan karakteristik dari gas tersebut. Energi infra merah yang dipancarkan dari filamen panas. Dengan optik penyaringan energi, spektrum radiasi terbatas pada pita penyerapan gas yang diukur. Sebuah detektor mengukur energi setelah energi infra merah telah melewati gas yang akan diukur. Hal ini dibandingkan dengan energi pada kondisi referensi penyerapan. Analisis modern juga menggunakan teknologi inframerah untuk mendeteksi nondispersive gas tertentu dengan mendeteksi penyerapan panjang gelombang inframerah yang merupakan karakteristik dari gas tersebut. Energi infra merah yang dipancarkan dari filamen panas. Dengan optik penyaringan energi, spektrum radiasi terbatas pada pita penyerapan gas yang diukur. Sebuah detektor mengukur energi setelah energi infra merah telah melewati gas yang akan diukur. Hal ini dibandingkan dengan energi pada kondisi referensi penyerapan tidak. Analyzer modern juga menggunakan teknologi inframerah untuk mendeteksi nondispersive gas tertentu dengan mendeteksi penyerapan panjang gelombang inframerah yang merupakan karakteristik dari gas tersebut. Energi infra merah yang dipancarkan dari filamen panas. Dengan optik penyaringan energi, spektrum radiasi terbatas pada pita penyerapan gas yang diukur. Sebuah detektor mengukur energi setelah energi infra 57

51 merah telah melewati gas yang akan diukur. Hal ini dibandingkan dengan energi pada kondisi referensi penyerapan. Dalam beberapa analisis, keandalan pengukuran ditingkatkan dengan kalibrasi analyzer pada kondisi referensi dan konsentrasi rentang dikenal. Jika udara akan mengganggu pengukuran, ruang yang rumah sumber energi diisi dengan gas yang tidak memiliki konsentrasi terdeteksi dari gas yang diukur. Tergantung pada gas yang diukur, udara segar, udara kimia dilucuti atau nitrogen dapat digunakan. Gambar 39. Gas Analyzer Sumber : dokumen pribadi 2.10 Parameter Unjuk Kerja Mesin Pada motor bakar mempunyai unjuk kerja mesin yang berbeda-beda. Hal ini tergantung dari faktor yang bersangkutan dengan spesifikasi motor bakar torak itu sendiri, seperti; volume silinder, susunan silinder, panjang langkah torak (stroke), sistem bahan bakar dan udara, sampai dengan 58

52 kondisi lingkungan bahan bakar yang digunakan. Dalam evaluasi unjuk kerja mesin terdapat beberapa parameter utama yang perlu diperhatikan yang merupakan pengaruh dari kondisi. Parameter unjuk kerja mesin tersebut diantaranya : 1. Torsi 2. Daya mesin efektif 3. Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Konsumsi Bahan Bakar Spesifik Specific Fuel Consumption adalah jumlah pemakaian bahan bakar yang dikonsumsi oleh mesin yang menghasilkan daya satu dk selama satu jam. Sfc dapat dihitung dengan menggunakan rumus [3] : Sfc =..(2.2) Dimana : Sfc Mf W : Specific Fuel Consumption (kg/hp detik) : Massa bahan bakar yang di konsumsi (kg) selama 1 jam : Luaran Daya (hp) atau BHP Dalam sistem bahan bakar injeksi elektronik, bahan bakar disemprotkan melalui injektor dalam waktu tertentu di setiap langkah hisap ke masingmasing silinder. Dengan mengetahui sfc dan W maka akan dapat dicari ukuran injektor, hal tersebut dapat dicari dengan rumus [4]: 59

53 Fuel injector size (lbs/h) = Dapat ditulis dengan mf =.(2.3) dimana mf W Sfc : laju aliran bahan bakar (lbm/h) : Daya maksimum pada sebuah mesin (hp) : Specific Fuel Consumption (lbm/hph) Dalam hal ini sfc menggunakan 0,45-0,60 lbm/hph (0, , kg/hph). Menggunakan 0,45-0,50 lbm/hph apabila mesin tanpa turbo, dan menggunakan 0,6 lbm/hph apabila mesin dengan turbocharger. n M : Jumlah injektor pada mesin : Duty cycle injektor yaitu lamanya waktu injeksi dibanding dengan tersedianya waktu (1 siklus 4 langkah) yang di nyatakan dalam persen. Menurut percobaan dari graham bell, duty cycle injektor (M) pada saat daya maksimum sekitar 60-70%. However, it will often be found during dynotesting that an engine will make best power with correctly phased sequential injection when duty cycle is 60-70%. [1] 60

54 Campuran Udara dan Bahan Bakar untuk Mesin dengan Sistem Bahan Bakar Injeksi Elektronik Pada sistem injeksi bahan bakar elektronik campuran udara dan bahan bakar diatur sekitar λ = 1, Manifold-injection gasoline engine develop their maximum power output at 5 15% air deficiency (λ = 0,95 0,85), and their lowest fuel consumption at 10 20% excess air (λ = 1,1 1,2). [4]: hal 40. Hal tersebut dapat dilakukan dengan pengontrolan sistem umpan balik (closed-loop) The air-fuel ratio can be maintained precisely at λ=1 by means of lamda closed-loop control [2]: hal 95) yang mana gas buang akan diukur oleh sensor dan selanjutnya ECM akan mengkoreksi penyemprotan bahan bakar sehingga dihasilkan λ=1. Untuk mencari campuran dara dan bahan bakar dapat menggunakan rumus [3] : dimana AFR=..(2.4) AFR ma mf : perbandingan udara dan bahan bakar : laju alir massa udara (kg/s) : laju alir massa bakar (kg/s) 61