DETEKSI KERUSAKAN BUSI PADA MOTOR BAKAR OTTO DENGAN METODA PEMROSESAN SINYAL GETARAN DENGAN WAVELET

Transkripsi

1 DETEKSI KERUSAKAN BUSI PADA MOTOR BAKAR OTTO DENGAN METODA PEMROSESAN SINYAL GETARAN DENGAN WAVELET Agus Suono Teni Mesin, Faultas Teni, Universitas Sebelas Maret, Suraarta Jl. Ir Sutami 36 A, Jebres, Suraarta, *) agus.suono@ft.uns.ac.id Abstra Busi merupaan alat utama agar mesin dapat menyala, namun cuup sulit untu mengetahui ondisi masih bai atau sudah setengah rusa, lebih-lebih pada saat mesin alan. Bengel pun sering tida bisa teliti mengatasi arena peralatan nya yang urang memadai. Maa penelitian ini mencoba mencari metoda baru yang lebih mudah dan murah digunaan untu mengetahui ondisi busi, yang dapat memerisa ondisi busi saat mesin dalam eadaan hidup. Metoda yang digunaan adalah dengan meream pola sinyal getaran mesin, yang emudian dapat dianalisa dengan metoda wavelet dari Matlab. Wavelet indu yang digunaan adalah fungsi Haar yang dimanfaatan sebagai filter digital untu menemuan ciri dari sinyal tersebut, yaitu dengan memilah spetrum freuensi tertentu sehingga dapat dietahui ciri pola getaran yang menandaan erusaan busi. Hasil penelitian ini telah dapat dengan cuup bai dapat menetapan ondisi busi yang rusa. Metoda ini dapat diembangan pada diagnosa erusaan mesin yang lain. Kataunci : wavelet, signal processing, spar failure, Otto engine Abstract Spar plug is the main tool for the internal combustion engine to turn on, but it is quite difficult to determine the condition still good or was half broen, especially when the vihicle is on the road. Worshops are often not able to accurately resolve because its equipment inadequate. This research is trying to find a new method that is easier and cheaper to use to determine the condition of the spar plug, which can chec the condition of the spar plugs while the engine is in running on. The method used is to record the pattern of machine vibration signals, which can then be analyzed with the wavelet method of Matlab. Used mother wavelet is the Haar function which is used as a digital filter to find the characteristics of the signal, ie with a certain sort of frequency spectrum that can be nown characteristic vibration patterns that indicate damage to the spar plug. The results of this study have been well enough to be able to set a broen spar plug condition. This method can be developed to diagnose other engine damage. Keywords: wavelet, signal processing, spar failure, Otto engines 1. Pendahuluan Daya motor baar Otto dihasilan dari poros engol adalah disebaban oleh pembaaran dalam ruang baar, antara bahan baar (bensin / premium) dengan udara, yang dipicu oleh percian api busi. Apabila percian api ini terganggu, tentu aan mempengaruhi besarnya daya poros yang dihasilan, yang berarti uga aan mempengaruhi efisiensi atupun onsumsi bahan baar. Maa perlu selalu diaga agar ondisi busi tetap prima dan oleh arena itu perlu sering diperisa ondisinya. Namun untu memerisa ondisi busi dalam eadaan panas atau sedang alan tidalah mudah dilauan, sehingga diperluan alat husus untu eperluan tersebut. Metoda pemrosesan sinyal getaran dengan wavelet iranya dapat memberi peluang untu meciptaan alat yang diperluan, seperti yang dilauan dalam penelitian ini. Komponen motor baar sesungguhnya cuup banya umlahnya, sehingga masalah erusaan dapat teradi dalam banya hal, mulai dari sistem bahan baar, sistem pendinginan, sistem pengapian, sistem pelumasan, sistem meanis lainya ataupun sistem eletroninya. Dengan demiian, erusaan dapat teradi dalam banya hal dan tentunya diperluan analisa menyeluruh bila diperluan untu mengetahui ondisi selengapnya. Alat diagnosa untu ondisi mesin yang lengap memang diperluan, namun sampai searang pada umumnya banya eterbatasan dibanding dengan permasalahan yang teradi, dibengel mesin lebih banya dilauan oleh seorang yang sudah ahli / berpengalaman dan alat yang dibunaan

2 TRANSMISI, 16, (2), 2014, 93 hanya alat-alat dasar saa. Metoda pemrosesan sinyal getaran dengan wavelet iranya dapat menyempurnaan alat diagnosa erusaan mesin yang ada, walupun dalam penelitian ini baru dalam tahap awal dan hanya pada satu titi permasalahan, tetapi diharapan dapat terus diembangan. Detesi erusaan busi yang dimasudan disini buan memerisa ondisi fisi busi, tetapi diperisa hasil percian api yang dihasilan untu pemicu pembaaran langsung diruang baar. Masudnya adalah bila busiitu bai, tentu aan mengahasilan percian api yang bai, dan aan menghasilan pembaaran yang bai pula. Apabila semua busi bai, tentu aan menghasilan semua pembaaran yang bai dan dengan demiian aan menghasilan pola getaran mesin yang merata pada semua silindernya. Apabila pembaaran dalam salah satu silinder terganggu oleh arena busi rusa, maa pola getaran yang dihasilan mesin uga tida merata. Pola getaran mesin tida normal dibanding dengan pola getaran mesin dalam ondisi normal aan digunaan sebagai dasar analisa erusaan dalam penelitian ini, yang dilauan degan bantuan pemrosesan sinyal getaran dengan metoda wavelet. Penelitian ini dilauan dengan meream sinyal getaran dari mesin, menggunaan sensor aselerometer dan Digital Signal Osciloscope (DSO), dengan omputer sebagai penyimpan datanya, berarti semua sinyal getaran aan masu teream, bai getaran putaran mesin, getaran pembaaran, getaran bantalan / laqer, ipas, tramsmisi semua sinyal getaran menadi satu. Permasalahannya adalah bagaimana merinci atau memilah-milah dan menetapan sinyal-sinyal tersebut dan apa referensi atau alat uinya. Untu menawab permasalah tersebut, digunaan sensor poros engol yang diletaan pada titi mati atas (TMA) dari piston pertama, untu menetapan perioda putarannya. Walaupun masih terdapat selisih phase antara sinyal yang teream dengan fisinya, yang diaibatan oleh elambatan (delay) dari sensor, namun pola getarannya dapat didetesi secara proporsional. Untu menanalisa pola getaran yang teream, digunaan perangat luna (software) Matlab, dengan menggunaan metoda analisa toolbox wavelet atas sinyal yang ada dan didasaran pada arater pola getarannya sesuai dengan pengetahuan tentang motor baar yang ada, aan dapat dietahui erusaan yang teradi. 2. Metode 2.1. Getaran Motor Otto Motor Otto (bensin) yang digunaan dapal penelitian ini adalah motor empat langah (4 ta), empat silinder (4 silinder), apasitas 1500 cc. Caraera tiap silindernya ada empat langah, yaitu : langah isap, langah tean / ompresi, langah era / ledaan dan langah buang. Diagramnya seperti Gambar 1 beriut. Gambar 1. Diagram era motor Otto 4 langah (Heywood [6]) Gambar 2 : Pola getaran mesin normal Getaran utama pada motor ini adalah berasal dari ledaan pembaaran dari tiap-tiap silinder, yang masing-masing meleda seali dalam dua putaran poros engol, yang berarti dalam dua putaran semua silinder meleda satu ali, berarti uga dalam satu putaran poros engol teradi dua ledaan dari 2 silinder. Maa ecepatan putar poros engol atau freuensi poros engol adalah sama dengan freuensi teradinya ledaan silinder dibagi dua.tiap saat teradi ledaan didalam silinder aan menimbulan punca getaran aselerometer, sehingga aan terlihat pola getarannya seperti Gambar Sinyal Getaran Aselerometer Aselerometer dipasang pada mesin dan ditambah sensor TMA untu sinyal referensi (Ettefagh [1]). Getaran yang masu e aselerometer adalah semua getaran yang teradi mulai dari getaran poros engol, getaran ledaan ruang baar, getaran ipas, getaran dinamo / generator, getaran bantalan / laqer dan uga termasu getaran chasis, semua getaran bercampur menadi satu, bai yang freuensi rendah maupun freuensi tinggi, lihat Gambar 3. Maa permasalannya adalah bagaimana mengetahui

3 TRANSMISI, 16, (2), 2014, 94 freuensi dan pola putaran poros engolnya. Jadi yang harus dilauan adalah bagaimana mengestra / memilah sinyal getaran poros engol dari semua getaran yang ada dan apa alat penguinya. busi dipasang dalam ondisi bai dan ondisi rusa, dengan loasi yang berganti-ganti. Gambar 3. Pola getaran motor baar Otto 2.3. Pereaman data Peralatan pereaman sinyal getaran pada Gambar 4, terdiri dari sensor getaran berupa aselerometer, Digital Signal Osciloscope (DSO) dan omputer sebagai penyimpan datanya. Untu meream sinyal referensi, dipasang sinyal detetor titi mati atas (TMA) sebagai sinya pengui atau pembanding untu menetapan ebenaran besar freuaensi dari sinyal aselerometer yang teream. Gambar 4 : Pelengapan pereaman data Gambar 6 : Consol Engine Test Bed (ETB) 2.4. Metoda Wavelet Pemrosesan sinyal yang paling umum berdasar pada transfomasi Fourier (Mallat [7]): F( w) f ( t) e iwt dt Pada umumnya transformasi Fourier banya digunaan untu mengetahui spetrum freuensi dari sinyal yang ada, yaitu dengan menggunaan transformasi Fourier cepat / Fast Fourier Trasform (FFT). Namun apabila freuensi berubah-ubah terhadap watu, tida dapat menunuan berapa freuensi dan apan teradinya. Untu ini diembangan dengan fungsi endela dalam transformasi Fourier disebut : Short Time Fourier Transform (STFT) : (2) (1) Untu mendapatan freuensi loal, fungfi endela : g(t). Fungsi STFT ini terdiri dari 2 variabel, yaitu watu dan freuensi yang memunginan untu memaparan distribusi watu-freuensi dari energi sinyalnya. Setiap fungsi endela g(t) adalah terait pada watu dan freuensi dengan resolusi minimal. Setelah g(t) dipilih, resolusi tersebut adalah tetap dan sama pada semua freuensi dan watu. Gambar 5 : Dynamometer Engine Test Bed (ETB) Mesin dipasang pada ETB (Engine Test Bed) Gambar 5 dan Gambar 6, dialanan dengan beban yang bervariasi dan putaran dari 1000 rpm sampai 4000 rpm. Kondisi Pada apliasinya STFT cuup sulit untu mendapatan versi digital dan tida ada transformasi yang cepat. Lebihlebih dengan uuran endela yang tetap, untu paparan freuensi yang rinci diperluan banya endela untu setiap freuensi yang berbeda. Untu ini diembangan fungsi wavelet ontinyu / Continuous Wavelet Transformation (CWT) : (3)

4 TRANSMISI, 16, (2), 2014, 95 Disini apabila α bertambah, mengaibatan freuensi menurun dan fungsi endela mengembang. Karena watu berupa esponesial, maa dapat ditulis * : ( s, ) f ( t) s, ( t) dt (4) 1 t Dimana : ( t) ( ) s s s,τ = riil dan ( t) dt 0 Wavelet merupaan sala dan translasi dari wavelet indu ψ(t) yang merupaan representasi sala dan watu dari sinyal yang dapat direonstrusi : f ( t) ( s, t) ( t) dsd (5) Oleh arena CWT banya penggandaan / pengulangan (redundant) dan lambat pemrosesannya, maa diembangat lagi e awasan disrit yang disebut : Discrete Wavelet Transform (DWT) yang aan disalaan dan ditranslasian dalam bentu langah (step) disrit : 1 t 0s0 ( t) (6) s s0 0, = integer, s 0 = 2, τ 0 = 1 Wavelet disrit buan sealaan dan translasian yang ontinyu, tetapi hanya disalaan dan ditranslasian dalam step disrit. Bidang dari sala dan watunya adalah merupaan sampel pada interval disrit dan dapat dibuat ortonogonal pada pelebaran (dilation) dan translasi dengan pemilihan wavelet indu yang husus, sehingga reonstrusi sinyal diperoleh dengan penumlahan fungsi basis ortogonal, dibebani dengan oefisien transformasi wavelet. f t) (, ) ( t) (7) (,, Fungsi sala dietahui sebagai spetrum filter lolos rendah LPF yang dienal uga sebagai filter rerata, arena setiap ali meregang dalam awasan watu dengan fator = 2, berarti bandwidth = ½. Maa sinyal dapat diomposisi dalam wavelet : t) (, ) ( t) (8) (,, Selama pemilihan fungsi sala φ(t) sedemiian sehingga spetrum ditempatan pada ruang sebelah iri yang terbua oleh waveletnya, persamaan tersebut menggunaan umlah terbatas dari wavelet sampai seala tertentu dari, sedangan sisanya dieraan oleh wavelet. Spetrum lolos rendah dari fungsi seala menggantian seala dari - sampai nilai tertentu, sehingga : ( t) dt 1. Berarti bila satu wavelet dapat dilihat sebagai band pass filter dan fungsi seala adalah low pass filter, maa seri dari wavelet yang dilebaran dengan suatu fungsi seala dapat disebut sebagai suatu filter ban. Kombinasi dari spetrum fungsi seala dengan wavelet selanutnya menunuan pada fungsi seala yang lain : 1 (2 t ) h ( ) (2 t ) (10) 1 1 (2 t ) g ( ) (2 t ) (11) 1 Untu memperoleh implementasi dengan filter digital watu disrit dapat ditulis sinyal sebagai 1 f ( t) 1( ) (2 t ) (12) 1 ( ) (2 t ) 1 Dinama : ) f ( t), ( ) 1(, t 1( ) f ( t),, ( t) Dan menggunaan 2 seala hubungan : 1 (2 t ) h ( ) (2 t ) (13) 1 dan (2 t ) g ( ) 1 (2 t ) (14) Maa diperoleh : 1 1( ) h( m 2) ( m) (15) m 1( ) g( m 2) ( m) (16) m Gambar 7. Iterasi dari digital filter ban Hal tersebut pada dasarnya menelma menadi sistem filter, yang terdiri dari 2 filter, Gambar 7, yaitu : filter wavelet yang merupaan filter lolos freuensi tinggi / High Pass Filter (HPF) dan filter sala yang merupaan filter lolos freuensi rendah Low Pass Filter (LPF). Disamping itu filter sala (scaling filter) merupaan filter rerata dan filter wavelet (wavelet filter) merupaan filter rinci / detail, yang dapat digambaran pada Gambar 8 dan Gambar 9, seperti beriut ini :

5 TRANSMISI, 16, (2), 2014, 96 Sinyal getaran mesin Sinyal sensor TMA Gambar 8. Strutur digital filter ban vertial (Misiti [8]) Gambar 11 : Pola getaran mesin normal Gambar 9 Strutur digital filter ban horisontal (Misiti [8]) Dalam penelitian ini digunaan wavelet indu dari fungsi Haar atau Doubechi 1 ( db1 ) pada Gambar 10 : Gambar 12 : Pola getaran mesin, busi nomor 1 rusa fungsi seala wavelet Gambar 10 : Wavelet indu Haar 3. Hasil dan Analisa Analisa sinyal getaran motor baar Otto dieraan dengan wavelet dari Matlab, yaitu dengan memilah sinyal input menadi sinyal LP (low pass filter) dan HP (high pass filter) yang bertingat seperti pada Gambar 8 9. Hasil olahan wavelet ini dipilih pola yang memberian ciri sinyal aslinya, yaitu pada level AAD3 Gambar 9. Dari hasil pemilahan ini memberian hasil yang cuup bagus seperti dibawah ini : Terlihat dalam Gambar 11 : pola getaran dari pembaaran mesin normal, yang memaparan bahwa seluruh sinyal merata pada semua pembaaran tiap silinder silinder, arena teradi getaran yang seimbang pada seluruh silus di semua silinder. Gambar 13 : Pola getaran mesin, busi nomor 2 rusa Gambar 14 : Pola getaran mesin busi nomor 3 rusa

6 TRANSMISI, 16, (2), 2014, 97 Gambar 15 : Pola getaran mesin busi nomor 4 rusa Gambar 19 : Pola getaran mesin busi nomor 2+3 rusa Untu erusaan 1 buah busi, pada Gambar 12-15, terlihat bahwa : sinyal getaran mesin tida merata, tetapi teradi impuls 1 ali pada setiap 4 ali pembaaran didalam setiap silinder. Gambar 20 : Pola getaran mesin busi nomor 2+4 rusa 4. Kesimpulan Gambar 16 : Pola getaran mesin busi nomor 1+2 rusa Gambar 17 : Pola getaran mesin busi nomor 1+3 rusa Gambar 18 : Pola getaran mesin busi nomor 1+4 rusa Seperti terlihat pada hasil reaman sinyal getaran motor baar Otto dengan berbagai ondisi erusaan busi, dapat disimpulan bahwa : 1. Kerusaan pada mesin dapat diream sinyal getarannya. 2. Kerusaan busi pada motor baar mempunyai pola getaran tertentu. 3. Transformasi wavelet sebagai filter ban dapat digunaan untu analisa pola getaran erusaan busi. 4. Metoda wavelet dapat diembangan lebih lanut untu diagnosa erusaan mesin. Referensi Journal: [1]. Ettefagh MM, Sadeghi MH, Pirouzpanah V, Aramandi Tash H, Knoc detection in Spar Ignition Engine by Vibration Analysis of Cylinder Bloc, a Parametric Modeling Approach, Journal Mechanical System and Signal Procesing 22 (2008) , Tabriz, Iran, 2007 [2]. Othman, MO, Improving the Performance of a Multicylinder Engine by Spectrum Analyzer Feedbac, Journal of Sound and Vibration (1989) 131(1), 1-11, Irbid, Jordan, 1987 Texboos: [3]. Anonim, Getting Started with MATLAB, The Matwors, Inc, USA, 2002

7 TRANSMISI, 16, (2), 2014, 98 [4]. Eravec, Jac and Scharff, Robert, Automotive Technology, A Syatem Approach, Delmar Publishers, Albany, 1996 [5]. Exter, Martin van, Noise and Signal Processing, Universiteit Leiden, Leiden, 2003 [6]. Heywood, John, B., Internal Combustion Engine Fundamental, McGraw-Hill Boo Company, New Yor, 1988 [7]. Mallat, Staphane, 1998, A Wavelet Tour of Signal Processing, Academic Press, London, UK [8]. Misiti M, Misiti Y, Oppenheim G, Poggi JM, Wavelet Toolbox 4 Getting Started Guide, The Mathwors, Inc. 3 Apple Hill Drive Natic, Ma , 2010 [9]. Vaseghi Saeed V, Advanced Digital Signal Processing and noice Reduction, John Wiley & Sons Ltd, New Yor, 2000