Kata kunci: Fuzzy Adaptif, Air Fuel Ratio, duty cycle, sensor lambda.

Transkripsi

1 KONTROL AIR FUEL RATIO PADA SPARK IGNITION ENGINE SISTEM EFI SEKUENSIAL MENGGUNAKAN KONTROL FUZZY ADAPTIF DAPAT MENEKAN BEAYA OPERASIONAL KENDARAAN Abdu Hamid, Ari Santoso Jurusan Teknik Eektro-FTI ITS Kampus ITS Sukoio Surabaya ABSTRAK Air Fue Ratio (AFR) adaah saah satu faktor yang sangat menentukan performansi spark ignition engine atau motor bakar, yaitu tenaga yang besar, hemat bahan bakar dan gas buang yang ramah ingkungan. Pada motor bakar sistem EFI, pengaturan AFR diaksanakan dengan cara mengatur amanya injektor menyemprotkan bahan bakar (duty cyce) agar seau sesuai dengan jumah udara yang masuk ke intake manifod. Pengaturan duty cyce ini diakukan oeh eectronic unit contro (ECU) berdasarkan temperatur air pendingin mesin, posisi katup gas, tekanan di daam intake manifod, kecepatan putaran mesin dan kandungan oksigen pada gas buang ( ). Yang menjadi probem adaah sensor ambda hanya dapat bekerja efektif jika bahan bakar yang digunakan bebas timba (bukan premium), sehingg a beaya operasionanya sangat maha. Pada peneitian terdahuu yang berjudu Sistem Pengaturan Kecepatan Spark Ignition Engine dengan Sequentia Injection Menggunakan Look-up Tabe Berbasis Fuzzy teah mampu mengatur agar engine seau mempunyai daya maksimum untuk semua kondisi operasiona mesin, tetapi tidak memperhatikan berapa AFR-nya. Peneitian ini, merupakan upaya untuk mendisain suatu kontroer yang berbasis fuzzy adaptif yang mampu mengestimasi dan mengatur (mengontro) niai AFR sesuai dengan kondisi operasiona mesin, dengan cara mengoreksi duty cyce yang diatur oeh peneiti terdahuu meaui sebuah kontro fuzzy adaptif. Kata kunci: Fuzzy Adaptif, Air Fue Ratio, duty cyce, sensor ambda. PENDAHULUAN Perkembangan dunia teknoogi saat ini sungguh sangat cepat dan fantastis, perbaikan demi perbaikan terus bergerak secara signifikan, sehingga batasan imu semakin tipis, tidak terkecuai di bidang otomotif. Ada tiga ha yang sangat pokok yang saat ini menjadi bahan kajian para peneiti otomotif daam rangka perbaikan performansi spark ignition engine, yaitu: efisiensi kerja yang tinggi sehingga dihasikan daya yang besar, efisiensi pemakaian bahan bakar, dan gas buang dengan tingkat pencemaran rendah (ramah ingkungan) [1] [2] [3]. Saah satu parameter yang mempengaruhi performansi mesin adaah niai perbandingan antara udara dan bahan bakar (AFR) yang dibakar di daam siinder pada setiap kai proses pembakaran. Jika niai AFR nya tidak sesuai dengan kondisi operasiona mesin, maka akan mengakibatkan efisiensi mesin tidak optima, dan kandungan poutan pada gas-buang sangat tinggi [1] [2] [3]. Pada spark ignition engine sistem EFI, kondisi AFR dipantau oeh sensor ambda dengan cara mendeteksi kandungan O2 (oksigen) yang terdapat pada gas buang. Jika kandungan oksigennya tinggi, artinya kondisi gas (campuran antara bahan bakar

2 dan udaranya) terau gemuk, maka sensor ambda memberi informasi kepada eectronic contro unit (ECU) untuk mengurangi duty cyce injektor sehingga voume bahan bakar yang diinjeksikan dikurangi, begitu juga sebaiknya. Dengan demikian kendaraan dengan sistem EFI kondisi AFR-nya seau mendekati idea, sesuai dengan kebutuhan mesin. Ditinjau dari sisi ekonomi, kondisi AFR yang tidak bagus juga sangat tidak menguntungkan, karena setiap pemakaian kendaraan yang niai AFR-nya tidak tepat, akan menyebabkan pemakaian bahan bakar bertambah 15 % dari pemakaian norma [4]. Probematiknya adaah sensor ambda atau exhaust gas oxygen (EGO) sensor hanya dapat bekerja dengan baik jika bahan bakar yang digunakan jenis tanpa timba (Super TT), sehingga beaya operasiona kendaraan menjadi sangat maha, karena dibandingkan dengan bensin biasa (premium), harganya jauh ebih maha. Peneitian sebeumnya yang berjudu Sistem Pengaturan Spark Ignition Engine dengan Sequentia Fue Injection Menggunakan Look-up Tabe berbasis Fuzzy teah mampu mengontro duty cyce dari injektor agar daya yang dihasikan engine dapat seau maksima, yang pada peneitian itu diekspresikan daam bentuk kecepatan putaran mesin yang meningkat, untuk bukaan throtte vave (katup gas) yang sama. Tetapi peneitian ini tidak pernah memperhitungkan niai AFR yang terbentuk di daam in-take manifod sebeum masuk ke daam siinder [6]. Peneitian saat ini merupakan anjutan dari peneitian sebeumnya, artinya pada peneitian ini diakukan koreksi terhadap duty cyce dari ook-up tabe yang ada dengan cara memasang kontro fuzzy adaptif, sehingga diharapkan spark ignition engine dapat bekerja dengan baik sesuai kondisi operasiona mesin. Misanya saat mesin dihidupkan (starter), saat pemanasan, saat kendaraan berjaan mendaki, dan ain sebagainya, yang tentunya membutuhkan gas dengan AFR yang variatif. METODA PENELITIAN Studi iteratur Materi-materi iteratur yang digunakan untuk menunjang peneitian ini, secara garis besar terdiri atas: 1) Prinsip Kerja spark ignition engine 2) Campuran bahan bakar dan udara yang idea 3) Kontro fuzzy adaptif 1. Prinsip Kerja Spark Ignition Engine [5] Satu sikus kerja pada spark ignition engine adaah ; angkah hisap, angkah kompresi, angkah usaha dan angkah buang. Pada kendaraan jenis 2 Tak, satu sikus kerja tersebut diseesaikan daam 2 kai gerakan torak, yaitu satu kai dari TMA ke TMB, dan satu kai dari TMB ke TMA. Jenis ini muai ditinggakan, sebab waaupun berdaya besar tetapi efisiensinya rendah dan gas buang yang tidak ramah ingkungan. Untuk spark ignition engine jenis 4 Tak, satu sikus kerja tersebut diseesaikan daam 4 kai gerakan piston, yaitu 2 kai dari TMA ke TMB dan 2 kai dari TMB ke TMA. Untuk jeasnya dapat diihat pada Gambar 1. A-21-2

3 1. Langkah Hisap 2. Langkah Kompresi dan Pembakaran 3. Langkah Usaha 4. Langkah Buang Gambar 1. Proses Kerja Motor Bakar 4 T [5] 2. Campuran Bahan Bakar dan Udara yang Idea [1][2] Perbandingan udara dan bahan bakar (AFR) teoritis iaah perbandingan berat udara (oksigen) didaam suatu campuran antara udara dan bahan bakar (gas) dengan berat bahan bakarnya. Niai AFR teoritis ini dapat diperoeh berdasarkan reaksi kimia yang terjadi saat campuran udara dan bahan bakar itu dibakar sempurna (daam proses pembakaran) yang ditunjukkan persamaan reaksi kimia sebagai berikut (jika Octana merupakan unsur dominant), maka diperoeh: 2C8H O2 16 CO H2 O dimana masa reatif atom C = 12; H = 1 dan O = 16, sehingga dari persamaan reaksi kesetimbangan di atas dapat dihitung masa reatif dari masing-masing moeku, yaitu: Octana (2C8H18) = ( 2 x 12 x 8 ) + ( 1 x 18 ) = 228 dan Oxygen (25 O2) = ( 25 x 16 x 2 ) = 800 ha ini menunjukkan bahwa perbandingan udara dan bahan bakar pada peristiwa pembakaran sempurna adaah 800 : 228 atau disederhanakan menjadi 3,5088 : 1, artinya untuk membakar 1 Kg bahan bakar (Octana) dibutuhkan 3,5088 Kg udara. Kandungan Oksigen di udara bebas adaah 23% per-satuan berat udara, artinya daam 1 Kg udara bebas terdapat 0,23 Kg Oksigen, dengan demikian diperukan 3,5088 : 0,23 = 15,255 Kg udara murni. Dengan ain kata niai AFR pada proses pembakaran sempurna Octana adaah 15,255 : 1 (niai stoikiometri). Dengan perhitungan yang sama untuk Cycohexane dan Benzena didapatkan: Cycohexane: C6H O2 6 CO2 + 6 H2O Air fue ratio (AFR) = 14,7 : 1 Benzena: 2C6H O2 12 CO2 + 6 H2O Air fue ratio (AFR) = 13,2 : 1 Daam reaitasnya bahan bakar premium atau sering disebut bensin tidakah murni, tetapi merupakan senyawa dari beberapa hydrocarbon, sehingga niai AFR-nya pada pembakaran sempurna adaah bergerak antara 14 : 1 sampai 15 : 1, secara praktis, AFR idea adaah 14,7 : 1 atau seniai dengan ambda ( ) = 1, yang diperoeh dari perbandingan antara AFR rea dibanding AFR teoritis. A-21-3

4 Niai λ mengindikasikan seberapa besar penyimpangan jumah udara daam campuran dibandingkan dengan kebutuhan udara secara teori [1]. λ << 1 artinya udara yang dimasukkan sangat kurang dari kebutuhan teori. λ < 1 artinya udara yang dimasukkan kurang dari kebutuhan teori. λ = 1 artinya udara yang dimasukkan sesuai dengan kebutuhan teori. λ > 1 artinya udara yang dimasukkan ebih banyak dari kebutuhan teori. λ >> 1 artinya udara yang dimasukkan jauh ebih banyak dari kebutuhan teori. 3. Kontro Fuzzy Adaptif [1] Yaitu sebuah sistem kontro berbasis fuzzy yang mampu mengikuti perubahan - perubahan parameter dari pan yang dikontro. Daam ha ini yang dimaksud pan adaah engine (motor bakar), sedang parameternya adaah terdiri atas temperatur mesin, posisi bukaan throtte vave, tekanan di daam in-take manifod, kecepatan putaran mesin, dan beban mesin. Daam peneitian ini, hanya menggunakan empat parameter (tanpa kontro temperatur). Aasan digunakan kontro berbasis fuzzy adaah karena pan yang dikontro mempunyai sifat yang sangat dinamis dan muti kompek, sehingga suit untuk dimodekan daam bentuk matematis. Secara bok diagram, kontro fuzzy adaptif dapat di gambarkan sebagai berikut: Look-up Tabe Observer x Kontro Pan y Gambar 3. Diagram Bok Kontro Fuzzy Adaptif [7] Pengumpuan data dari hasi identifikasi Sebeum diakukan identifikasi terhadap pan, terebih dahuu dirancang sebuah system pengambian data secara simuatif pada software MATLAB dengan menggunakan diagram bok dari Simuink, seperti pada Gambar 4. Gambar 4. Diagram Bok Sistem Pengambian Data A-21-4

5 Perancangan Disain Kontro Fuzzy Adaptif [1][2] Peneitian ini menggunakan system fuzzy dengan agoritma backpropagation, sehingga diperukan sebuah disain fuzzy yang dapat digunakan untuk men-training data hasi identifikasi dan juga berfungsi sebagai kontro adaptif berbasis fuzzy. Dengan perimbangan ini, maka peneitian ini menggunakan disain sebagai berikut: f ( x) M 1 y [ M 1 [ n i1 n i1 xi xi exp( ( xi xi exp( ( i i 2 ) ] dimana i i 2 ) ] Impentasi Disain Kontro Fuzzy Adaptif pada Sistem y V, x Disain fuzzy tersebut kemudian diimpementasikan daam bentuk diagram bok dari Simuing pada software MATLAB (Gambar 5), seanjutnya hasi training data yang teah diakukan merupakan parameter pan yang diberakukan pada system kontro, yang hasinya dapat diihat sebagai hasi simuasi meaui software MATLAB. U Penuisan/Anaisis Gambar. 5. Sistem Kontro AFR Berbasis Fuzzy Adaptif Dari hasi simuasi, dapat diakukan anaisis grafik yang mengekspresikan hasi kerja kontro yang teah didisain dan dirancang, dan seanjutnya diakukan penuisan sebagai aporan imiah hasi peneitian. HASIL DAN DISKUSI Dari hasi impementasi disain fuzzy dan kontro fuzzy adaptif terhadap pan, dapat ditunjukkan daam gambar-gambar grafik berikut: (a) (b) (c) Gambar 6. Grafik Hasi Trainning Data pada Bukaan Throte 13% dan Setting Point AFR : a) 13 : 1 b) 14,6 : 1 c) 15 : 1 A-21-5

6 Dari grafik pada Gambar 6 (a), 6 (b) dan 6 (c) dapat diihat bahwa fue estimasi (red) hampir dapat mengikuti fue rea (green), artinya disain fuzzy yang digunakan cukup bagus. Jika diakukan perbaikan agar garis estimasi betu-betu sama dengan garis rea, maka yang peru dipertimbangkan adaah perbaikan pada ook-up tabe-nya. 1. A F R 1 2 T H R O T L E Gambar 7. Grafik Hasi Kontro Fuzzy Adaptif terhadap Niai AFR pada Bukaan Throte Varitif dan pada Beban = 0 Gambar 7 menunjukkan kerja kontro fuzzy adaptif terhadap AFR pada saat beban sama dengan no (jaan datar) dan bukaan throtte antara 10% sampai 16 % time samping 0,5 detik. Niai AFR idea (stokiometri) adaah 14,7 : 1, ebih tinggi dari niai idea artinya pemakaian bahan bakar semakin hemat, dan batas maksimanya adaah 19 : 1 (mesin sudah suit hidup), dan ebih rendah dari niai idea artinya pemakaian bahan bakar semakin boros, batas minimanya 9 : 1. Dari grafik dapat diihat bahwa niai AFR dapat mengikuti gerakan throtte vave, pada posisi 1, jika throtte vave naik (kecepatan bertambah), niai AFR turun (bahan bakar ditambah), dan pada posisi 2, terjadi perambatan (throtte vave turun) maka niai AFR naik (bahan bakar dikurangi). Gambar 8. Grafik Hasi Kontro Fuzzy Adaptif terhadap Niai AFR pada Bukaan Throte Varitif Beban = -5 (jaan turun) Beban minus artinya jaan turun sehingga beban mesin sangat ringan. Pada kondisi ini pemakaian bahan bakar harus ebih hemat dari niai AFR idea. A-21-6

7 AFR THROTLE Gambar 9. Grafik Hasi Kontro Fuzzy Adaptif terhadap Niai AFR pada Bukaan Throte VaritifBeban = 10 (jaan naik) Beban positif artinya jaan naik, niai 10 menunjukkan naik agak curam sehingga beban mesin sangat berat. Akibatnya pemakaian bahan bakar agak boros tetapi tidak boeh terau boros ( niai AFR di bawah 11). Dari grafik dapat diihat bahwa niai AFR yang terkontro masih berada diantara 12,1 sampai 12,9 (tidak terau boros bahan bakar). Dari grafik pada Gambar 7, Gambar 8, dan Gambar 9 dapat diihat bahwa kontro fuzzy adaptif mampu mengatur/mengontro niai AFR pada semua kondisi operasiona kendaraan (ja an datar, jaan turun dan jaan naik) agar tetap berada pada kisaran niai AFR yang paing hemat sesuai kondisinya. Sebab jika niai AFR tidak sesuai dengan kebutuhan mesin, maka terjadi pemakaian bahan bakar 15 % ebih banyak dari niai idea [4], artinya jika niai AFR tepat sesuai dengan operasiona kendaraan, maka akan ada penghematan 15 % dari beaya operasiona kendaraan. Sebagai iustrasi: 1) Sebuah kendaraan system EFI daam sehari membutuhkan 25 iter bahan bakar tanpa timba (premix / pertamax), maka bea operasionanya = 25 x Rp = Rp Jika menggunakan kontro fuzzy adaptif (tanpa EGO sensor), bea opersionanya menjadi = 25 x Rp = Rp jadi ada penghematan = Rp / hari / 1 kendaraan. 2) Sebuah kendaraan konvensiona (dengan Karburator) daam sehari membutuhkan 25 iter bensin, maka bea operasionanya = 25 x Rp 4500 = Jika dimodifikasi menjadi system EFI dengan kontro fuzzy adaptif (tanpa EGO sensor), maka akan terjadi penghematan 15 % dari pemakaian bahan bakar yang seharusnya dikeuarkan. Maka niai penghematan yang ada adaah = 15 % x Rp = Rp / hari / 1 kendaraan. A-21-7

8 KESIMPULAN Dari hasi pengujian terhadap kontro fuzzy adaptif yang teah dirancang, maka dapat disimpukan ha-ha sebagai berikut: 1) Pengontroan AFR pada mesin kendaraan sangat diperukan, karena sangat berpengaruh terhadap unjuk kerja atau performansi mesin pada semua kondisi opersiona kendaraan. 2) Kontro Fuzzy Adaptif yang dirancang dapat dijadikan aternatif sebagai aat pengontro AFR pada kendaraan waaupun masih memerukan penyempurnaanpenyempurnaan. 3) Niai AFR pada pada engine mempunyai hubungan yang signifikan terhadap beaya oprasiona kendaraan, makin tepat niai AFR maka penghematan beaya operasiona juga semakin besar DAFTAR PUSTAKA Anthonius Radhityo, Disain Fuzzy Observer untuk Mengukur Perbandingan Udara dan Bahan bakar (Air Fue Ratio) pada Spark Ignition Engine denga n Sequentia Fue Injection, Tugas Akhir, Jurusan Eektro FTI, ITS.,1992. Emission System, Service and Training, P.T. Toyota Astra Motor,1975. Emission Contro, Repair Manua, P.T. Toyota Motor Saes CO LTD, Eectronic Fue Injection, Training Manua, P.T. Toyota Astra Motor Crouse, Wiiam H, Automotive Mechanics 7 th Edition, McGraw Hi. Trigas Badmianto, Sistem Pengaturan Kecepatan Spark Ignition Engine dengan Sequentia Fue Injection menggunakan Look-up Tabe Berbasis Fuzzy, Tugas Akhir, Jurusan Eektro - FTI, ITS. Li-Xing Wang, Adaptive Fuzzy Sistem and Contro, Prentice Ha. A-21-8