BAB II TEORI DASAR Komponen sistem pengapian dan fungsinya

Transkripsi

1 BAB II TEORI DASAR 2.1 Teori Dasar Pengapian Sistem pengapian pada kendaraan Honda Supra X 125 (NF-125 SD) menggunakan sistem pengapian CDI (Capasitor Discharge Ignition) yang merupakan penyempurnaan dari sistem pengapian magnet konvensional dengan kontak platina. Penyempurnaan terletak pada penggantian titik kontak (breaker point) dengan unit CDI. Penggantian titik kontak dengan unit CDI dimaksudkan untuk menghindari motor sulit dihidupkan karena pada titik kontak mudah sekali teroksidasi, aus, dan sensitif terhadap air. Bila titik kontak platina terjadi hal hal tersebut maka akan mempengaruhi kinerja dari sepeda motor. Dengan penggantian titik kontak dengan unit CDI maka kemungkinan kerusakan dan gangguan akan dapat diminimalkan, sehingga akan diperoleh sistem pengapian yang lebih baik. Bila sistem pengapian baik maka motor akan mudah untuk dihidupkan. Sebuah sistem pengapian CDI umumnya terdiri dari komponen komponen seperti pada gambar berikut ini Komponen sistem pengapian dan fungsinya Sistem pengapian CDI mempunyai komponen-komponen yang mempunyai fungsi sebagai berikut: 1. Timing circuit yang berfungsi untuk memberikan arus secara otomatis pada SCR (Silicoln Control Rectifier) yang berfungsi sebagai thiristor switch. 2. Koil pengisian (Charge coil ) berfungsi untuk menghasilkan arus listrik yang akan disimpan didalam kapasitor dalam unit CDI. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 5

2 3. Unit CDI berfungsi untuk menyalurkan arus menuju kumparan primer dalam koil sesuai dengan sinyal pengapian dari timing circuit. 4. Koil pengapian (Ignition coil ) berfungsi untuk menghasilkan tegangan tinggi. 5. Busi yang berfungsi untuk menghasilkan loncatan bunga api listrik guna membakar campuran bahan bakar dan udara yang telah terkompresi. Gambar 2.1 Komponen sistem pengapian CDI (ITB, Bandung: Motor Bakar Torak, Aris Munandar, Wiranto 2000 ) Siklus mesin empat langkah Mesin bensin empat langkah menjalani satu siklus tersusun atas empat tahapan/langkah. Langkah-langkah tersebut dapat dilihat pada gambar berikut ini. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 6

3 Gambar 2.2 Langkah kerja motor bensin empat langkah ( 0 1 : Langkah Isap Campuran udara bahan bakar dihisap kedalam silinder/ruang bakar. Piston bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB). Katup isap terbuka dan katup buang tertutup. 1 2 : Langkah Kompresi Kedua katup tertutup. Piston bergerak menuju titik mati atas (TMA) dari titik mati bawah (TMB). Sesaat sebelum piston mencapai TMA, bunga api dari busi dipercikkan dan bahan bakar mulai terbakar, sehingga terjadi proses pemasukan panas pada 2-3 dengan volume tetap. 3-4 : Langkah Ekspansi Selama pembakaran, sejumlah energi dibebaskan, sehingga suhu dan tekanan dalam silinder naik dengan cepat. Setelah mencapai TMA, piston akan didorong oleh gas bertekanan tinggi ini menuju TMB (langkah ekspansi). Tenaga mekanis ini diteruskan ke poros engkol. Saat sebelum mencapai TMB, katup buang terbuka, gas hasil pembakaran mengalir keluar dan tekanan dalam silinder turun dengan cepat dan terjadi proses pembuangan kalor pada 4-1 dengan volume tetap. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 7

4 1 0 : Langkah Pembuangan Piston bergerak menuju titik mati atas mendorong gas didalam silinder ke saluran buang. Pada motor bakar torak, daya yang berguna adalah daya poros, karena poros itulah yang menggerakkan beban. Daya poros itu sendiri dibangkitkan oleh daya indikator yang merupakan daya gas pembakaran yang menggerakkan torak. Sebagian daya indikator dibutuhkan untuk mengatasi gesekan mekanik, misalnya gesekan antara torak dan dinding silinder dan gesekan antara poros dan bantalannya. Disamping itu, daya indikator harus pula menggerakkan beberapa aksesoris, seperti pompa pelumas, pompa air pendingin atau pompa udara pendingin, dll. Gambar 2.3 Siklus Otto Ideal ( Valve Timing Untuk memperoleh out put mesin yang maksimum, salah satunya diperlukan sebanyak mungkin campuran bahan bakar dan udara yang masuk ke ruang silinder, demikian juga sisa gas buang yang harus dikeluarkan. Campuran bahan bakar dan udara serta gas pembakaran dipertimbangkan dalam menentukan lamanya katup terbuka secara maksimum. Seperti terlihat pada gambar dibawah ini, katup masuk mulai membuka sebelum langkah hisap (sebelum TMA) dan menutup setelah TMB (mulai langkah kompresi). Katup buang membuka sebelum Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 8

5 mencapai TMB dan menutup setelah TMA (setelah memasuki langkah hisap). Saat membuka dan menutupnya katup disebut saat kerja katup (valve timing). Pada umumnya saat kerja katup dinyatakan dalam derajat engkol dari posisi pada TMA dan TMB. Diagram yang menunjukkan saat kerja katup disebut diagram saat kerja katup. Gambar 2.4 Valve Timing (ITB, Bandung: Motor Bakar Torak, Aris Munandar, Wiranto 2000 ) 2.2 Busi dan Bagian bagiannya. Busi (dari bahasa Belanda bougie) adalah suatu suku cadang yang dipasang pada mesin pembakaran dalam dengan ujung elektroda pada ruang bakar. Busi dipasang untuk membakar bensin yang telah dikompres oleh piston. Busi menerima tegangan listrik sekitar volt sampai dengan volt, pada saat terjadi pembakaran didalam mesin, dan temperature elektroda busi mencapai kira-kira 2000 c (3632 f) selama langkah pembakaran bekerja. Oleh sebab itu busi harus dibuat tahan akan suhu tinggi, mempunyai daya tahan listrik yang baik dan daya tahan terhadap reaksi kimia akibat terjadi pembakaran bahan bakar. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 9

6 Percikan busi berupa percikan elektrik dan pada bagian tengah busi terdapat elektroda yang dihubungkan dengan kabel ke koil Bagian tengah busi disebut elektroda tengah dan elektroda inti yang dibuat dari bahan nikel campuran agar tahan terhadap suhu dan karat, bagian elektroda tengah dan sebagian elektroda inti dibungkus oleh bahan insulator berupa keramik. Antara elektroda inti dengan elektroda massa diberi kerenggangan elektroda tersebut, besarnya kerenggangan yang tepat adalah sekitar 0,60 mm sampai dengan 0,70 mm, pada kerenggangan tersebut diatas dapat dihasilkan loncatan listrik yang paling panas. Tingkat panas disini adalah menunjukan busi dapat bekerja dengan efektif sampai tingkat panas tertentu, yang mana bila busi tersebut mencapai tingkat panas maksimal atau lebih dari itu, maka kerja tersebut akan jelek (daya hantar arus tegangan tinggi menjadi buruk). Pada umumnya arus tegangan tinggi dari ignition coil pembangkitan bunga api dengan temperature tinggi antara elektroda tengah dengan elektroda massa dari busi untuk menyalakan campuran udara bahan bakar yang telah di kompresikan. Tetapi kemudian akan langsung turun drastis pada langkah hisap karena di dinginkan oleh campuran udara dan bahan bakar. Perubahan dari panas ke dingin tersebut terjadi berulang-ulang kali pada setiap dua putaran poros engkol. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 10

7 2.2.1 Konstruksi busi : Bagian bagian utama pada busi : 1. Terminal 2. Rumah busi 3. Elektrode (paduan nikel) 4. Celah elektrode 5. Elektrode massa 6. Penghantar 7. Cincin perapat 8. Isolator Gbr 2.5 Konstruksi busi (Gambar : denso.com) Syarat - syarat yang harus dimiliki oleh busi : 1. mempunyai konduktivitas panas yang tinggi 2. tahan terhadap temperature tinggi 3. tahan terhadap korosi dan erosi gas 4. mampu melontarkan nyala api listrik pada temperature tinggi maupun temperature rendah. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 11

8 2.2.2 Nilai Panas Nilai panas busi adalah suatu indeks yang menunjukkan jumlah panas yang dapat dipindahkan oleh busi, kemampuan busi menyerap dan memindahkan panas tergantung pada bentuk kaki isolator / luas permukaan isolator dan nilai panas harus sesuai dengan Kondisi operasi mesin. Semakin tinggi angkanya, semakin dingin tipe busi itu. apabila kita berada di daerah pegunungan yang suhunya dingin, lebih baik menggunakan busi yang lebih panas dari busi standar pabrik. Apabila memaksakan memakai busi dingin, akan terjadi carbon fouling atau pembakaran tidak sempurna dan akan menyebabkan detonasi atau knocking. Rentang jangkauan busi panas dan busi dingin : Ciri ciri busi panas : Gambar 2.6 Rentang busi panas dan busi dingin Luas permukaan kaki isolator besar Banyak menyerap panas Lintasan pemindahan panas panjang, sehingga lebih lambat dalam menyalurkan panas yang di terima Ciri ciri busi dingin : Luas permukaan kaki isolator kecil Sedikit menyerap panas Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 12

9 Lintasan pemindahan panas pendek, sehingga lebih cepat menyalurkan panas. 2.3 Busi Iridium Gambar 2.7 Konstruksi busi iridium Bagian Utama busi iridium 1. Insulator Gambar 2.8 Insulator Insulator berfungsi untuk mencegah arus bertegangan tingi keluar dari elektroda, insulator harus memiliki isolasi yang baik dan konduktivitas panas pada suhu tinggi. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 13

10 2. Terminal Gambar 2.9 Terminal Bagian terminal terhubung ke kabel tegangan tinggi dari sistem pengapian. 3. Ring, packing Gambar 2.10 Ring Membuat isolator dan casing menempel satu sama lain sehingga menjadi kedap udara. 4. Pusat poros ( Batang ) Gambar 2.11 Pusat poros Pusat poros terhubung dengan terminal dan pusat elektroda. poros ini terbuat dari baja dan memiliki peran yang memungkinkan arus tegangan tinggi mengalir dari terminal ke pusat elektrode. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 14

11 5. Casing Gambar 2.12 Casing Casing merupakan kulit terluar yang mengelilingi isolator, dan juga sebagai mounting busi menempel pada mesin. 6. Seal kaca Gambar 2.13 Seal kaca Dipasang antara poros pusat dan insulator untuk membuatnya kedap udara. 7. Paking Gambar 2.14 Paking Membuat Busi dapat terpasang pada mesin dan menjaga tetap kedap udara dari ruang pembakaran. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 15

12 8. Elektroda dengan tembaga Gambar 2.15 Elektroda Tembaga dipasang ke bagian pusat untuk meningkatkan konduktivitas termal. 9. Ring, packing Gambar 2.16 Ring Membuat isolator dan casing cocok erat satu sama lain dan mempertahankan agar kedap udara. 10. Pusat Elektroda Gambar 2.17 Pusat elektroda Pada busi iridium menggunakan diameter 0,4 mm yang di las laser ke ujung pusat elektroda. Hal ini akan menurunkan percikan tegangan, mengurangi efek pendinginan, dan meningkatkan kinerja mesin. Bahan Iridium merupakan logam mulia dan memiliki sifat Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 16

13 sangat unggul untuk elektroda busi, karena tahan terhadap suhu tinggi, daya tahan tinggi, dan resistensi yang rendah. 11. Alur Elektroda Tipe U Gambar 2.18 Alur elektroda Keuntungan dari alur elektroda tipe U-groove yaitu : Permukaan yang berhubungan dengan pusat elektroda besar. Ada banyak bagian tepi, sehingga lebih mudah terjadinya ledakan bunga api. Inti api (ukuran api) dapat melebar dengan mudah. 12. Elektroda massa Bentuk tirus Gambar 2.19 Elektroda massa Elektroda pada jenis ini memiliki bentuk ujung elektroda yang dipotong ke bentuk runcing halus. Hal ini mengurangi efek pendinginan, sehingga meningkatkan kinerja mesin Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 17

14 2.4 Emisi Gas Buang Pada proses pembakaran tentu diperlukan oksigen dan oksigen ini didapat dari udara bebas. Para pakar telah mengidentifikasi bahwa udara terdiri dari, Oxygen (O2) sebanyak 21%, Nitogen (N2) 78% dan 1% sisanya adalah gas-gas lainnya. Ikatan Hydrocarbon (HC) pada bahan bakar (BB) hanya akan bereaksi dengan oksigen pada saat proses pembakaran sempurna, dan menghasilkan air (H2O) serta karbondioksida (CO2) sedangkan Nitrogen akan keluar sebagai N2. Sayangnya pada kondisi-kondisi tertentu pembakaran menjadi tidak sempurna dan hal ini menghasilkan gas-gas buang yang berbahaya bagi kehidupan, seperti terbentuknya CO (karbon monoksida), HC (hidrokarbon), dan juga NOx (Nitrogen oksida). Emisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran kendaraan bermotor pada umumnya berdampak negatif terhadap lingkungan. Sehingga perlu diambil beberapa langkah untuk dapat mengendalikan gas buang yang dihasilkan tersebut. Salah satu caranya adalah dengan pemeriksaan atau uji emisi berkala untuk mengetahui kandungan gas buang kendaraan yang berpotensi mencemari lingkungan. Pada negara-negara yang memiliki standar emisi gas buang kendaraan yang ketat, ada 5 unsur dalam gas buang kendaraan yang akan diukur yaitu senyawa HC, CO, CO2, O2 dan senyawa NOx. Sedangkan pada negaranegara yang standar emisinya tidak terlalu ketat, hanya mengukur 4 unsur dalam gas buang yaitu senyawa HC, CO, CO2 dan O2. Hidrokarbon ( HC ) Bensin adalah senyawa hidrokarbon, jadi setiap HC yang didapat di gas buang kendaraan menunjukkan adanya bensin yang tidak terbakar dan terbuang bersama sisa pembakaran. Apabila suatu senyawa hidrokarbon terbakar sempurna, maka hasil reaksi pembakaran tersebut adalah karbondioksida (CO2) dan air(h 2O). Walaupun rasio Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 18

15 perbandingan antara udara dan bensin (AFR=Air-Fuel-Ratio) sudah tepat dan didukung oleh desain ruang bakar mesin saat ini yang sudah mendekati ideal, tetapi tetap saja sebagian dari partikel bensin masih tetap ada yang tidak terbakar saat terjadi proses pembakaran dan menyebabkan emisi HC pada ujung knalpot cukup tinggi. Apabila emisi HC tinggi, menunjukkan ada 2 kemungkinan penyebabnya yaitu, AFR yang tidak tepat (terlalu kaya) atau bensin tidak terbakar dengan sempurna di ruang bakar. Karbon Monoksida (CO) Karbon monoksida dihasilkan dari pembakaran tak sempurna, sering terjadi pada mesin pembakaran dalam. Karbon monoksida terbentuk apabila terdapat kekurangan oksigen dalam proses pembakaran. Tingginya angka CO menunjukkan bahwa AFR terlalu kaya dan ini bisa disebabkan karburator yang kotor atau setelannya yang tidak tepat. Karbon monoksida sangatlah beracun dan tidak berbau maupun berwarna, gejala dari keracunan ringan meliputi sakit kepala dan mual-mual. Pada oksidasi selanjutnya CO berubah menjadi CO 2 ( 2CO + O 2 2CO 2 ) akan tetapi reaksi ini lambat dan tidak dapat merubah seluruh sisa CO menjadi CO 2. Karena itu pada campuran yang kurus sekalipun masih menghasilkan CO. Oksigen (O2) Konsentrasi dari oksigen di gas buang kendaraan berbanding terbalik dengan konsentrasi CO 2. Untuk mendapatkan proses pembakaran yang sempurna, maka kadar oksigen yang masuk ke ruang bakar harus mencukupi untuk setiap molekul hidrokarbon. Dalam ruang bakar, campuran udara dan bensin dapat terbakar dengan sempurna apabila bentuk dari ruang bakar tersebut melengkung secara sempurna. Kondisi ini memungkinkan molekul bensin dan molekul udara dapat dengan mudah bertemu untuk bereaksi dengan sempurna pada proses pembakaran. Tapi sayangnya, ruang bakar tidak dapat sempurna melengkung dan halus Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 19

16 sehingga memungkinkan molekul bensin seolah-olah bersembunyi dari molekul oksigen dan menyebabkan proses pembakaran tidak terjadi dengan sempurna. Untuk mengurangi emisi HC, maka dibutuhkan sedikit tambahan udara atau oksigen untuk memastikan bahwa semua molekul bensin dapat Homogen dengan molekul oksigen untuk bereaksi dengan sempurna, ini berarti AFR 14,7:1. Mesin tetap dapat bekerja dengan baik walaupun AFR terlalu kurus bahkan hingga AFR mencapai 16:1. Tapi dalam kondisi seperti ini akan timbul efek lain seperti mesin cenderung knocking, suhu mesin bertambah dan emisi senyawa NOx juga akan meningkat drastis. Karbon Dioksida (CO 2 ) Konsentrasi CO 2 menunjukkan secara langsung status proses pembakaran di ruang bakar. Semakin tinggi maka semakin baik. Saat AFR berada di angka ideal, emisi CO 2 berkisar antara 12% sampai 15%. Apabila AFR terlalu kurus atau terlalu kaya, maka emisi CO 2 akan turun secara drastis. Apabila CO 2 berada dibawah 12%, maka kita harus melihat emisi lainnya yang menunjukkan apakah AFR terlalu kaya atau terlalu kurus. Perlu diingat bahwa sumber dari CO 2 ini hanya ruang bakar. Konsentrasi CO 2 tinggi. Kondisi ini menunjukan bahwa AFR berada dekat atau tepat pada kondisi ideal. Konsentrasi CO 2 rendah. Kondisi ini menunjukan bahwa AFR terlalu kurus atau terlalu kaya dan terjadi kebocoran pada exhaust system. Nitro oksida ( Nox ) Nox dihasilkan oleh nitrogen dan oksigen pada udara dalam campuran udara bahan bakar. Ini terjadi ketika suhu ruang pembakaran naik melewati nilai 1800 o C (3,272 o F). Semakin tinggi kenaikan suhu pembakaran dan miskinnya campuran udara-bahan bakar akan menyebabkan semakin banyaknya Nox yang dihasilkan karena rasio Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 20

17 oksigen didalam campuran udara-bahan bakar terlalu tinggi, Apabila AFR terlalu kurus, timing pengapian yang terlalu tinggi atau sebab lainnya yang menyebabkan suhu ruang bakar meningkat, tumpukan kerak karbon yang berada di ruang bakar juga akan meningkatkan kompresi mesin dan dapat menyebabkan timbulnya titik panas yang dapat meningkatkan kadar NOx. Mesin yang sering detonasi juga akan menyebabkan tingginya konsentrasi NOx. 2.5 Air Fuel Ratio Teoritis pembakaran sempurna didapat dengan perbandingan udara/bb (Air to fuel ratio) adalah 14,7 dan sering disebut sebagai Stoichiometry dan sering disebut juga sebagai perbandingan Lambda=1. Air to Fuel Ratio (sering disingkat AFR) > 14,7 disebut sebagai Lean Combustion sedangkan sebaliknya disebut sebagai Rich combustion Perhatikan Diagram dibawah ini : Gambar 2.20 Diagram air fuel ratio ( Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 21

18 Pada pembakaran ideal sudah disebutkan diatas akan menghasilkan H2O, CO2 serta N2, Namun secara praktis pembakaran pada mesin tidaklah sempurna walau pada mesin dengan technologi tinggi sekalipun. Pada diagram diatas bisa dilihat, garis hitam adalah garis stoichiometry dimana pada pembakaran ini akan didapat nilai kurang lebihnya dan menjadi baku mutu emisi. Campuran yang terlalu kurus / miskin, bisa ditandai dengan kondisi sbb: * Electrode pada busi berwarna putih * Stasioner / langsam tidak stabil * Mesin terasa cepat panas * Mesin sulit distart * Ngelitik / detonasi Campuran yang terlalu gemuk / kaya bisa ditandai dengan kondisi sbb: * Electrode busi berwarna hitam dan basah * Knalpot berasap hitam * Bahan bakar sangat boros * Putaran mesin tidak stabil * Banyak deposit karbon di dalam ruang bakar * Mesin sulit distart 2.6 Ambang Batas Emisi Gas Buang Untuk Sepeda Motor Menurut Badan Pengelola Lingkungan Hidup Daerah (BPLHD) Provinsi DKI Jakarta, ambang batas emisi gas buang untuk sepeda motor dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 22

19 Tabel 2.21 Mutu udara kendaraan bermotor di wilayah DKI Jakarta No Jenis Kendaraan Bermotor Jenis Bahan Bakar Mutu Udara Emisi CO ( % ) HC ( ppm ) Asap ( % ) 1 Mobil Penumpang Bensin 4, Solar Gas 4, BBM 2 langkah 3,00 2 Sepeda Motor Bensin 4, BBM 2 langkah 4, ( : ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor) Tugas Akhir Dany Hidayat ( ) 23