Sistem Pengaturan Injeksi Bahan Bakar Mesin Mitsubishi 4g63 Menggunakan Metode Fuzzy Indra Permana Putra, Ali Fatoni, Joko Susila Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Abstrak - Salah satu permasalahan dalam dunia otomotif adalah pemakaian bahan bakar yang tidak efektif pada mesin kondisi stasioner (idle). Untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar serta meningkatkan performa mesin saat stasioner, salah satu cara yang digunakan adalah dengan mengatur volume injeksi bahan bakar sesuai dengan kebutuhan. Pada tugas akhir ini dibahas bagaimana mengatur volume injeksi bahan bakar pada mesin pengapian busi dengan cara mengimplementasikan metode Fuzzy pada Engine Control Unit (ECU) sebagai kontroler. Proses pembakaran yang terjadi dalam waktu yang sangat cepat, serta respon kecepatan putar mesin dengan pengaruh volume bahan bakar yang tidak linier diatur dengan menggunakan kontroler logika fuzzy. Kontroler berbasis metode Fuzzy mempunyai keistimewaan yaitu sangat baik untuk memperbaiki sistem yang nonlinier. Penelitian tugas akhir ini menggunakan mikrokontroler ATMEGA 8535 sebagai pusat kontrol ECU dan mesin Mitsubishi 4g63. Hasil eksperimental menunjukkan dengan menggunakan kontroler fuzzy, kecepatan optimal pada variasi bukaan katup idle dapat dicapai dan mengindikasikan efektifitas proses pembakaran bahan bakar. Kata kunci: Kondisi stasioner, kontroller fuzzy, injeksi bahan bakar, Mitsubishi 4g63 I. PENDAHULUAN Mesin pengapian busi (spark-ignition engine) merupakan salah satu jenis mesin pengapian dalam yang banyak digunakan pada kendaraan bermotor di Indonesia. Seiring dengan perkembangan teknologi, penelitian dan pengembangan mesin ini terus dilakukan mulai dari konstruksi mesin sampai dengan elektronik. Permasalahan yang paling sering dibahas dalam penelitian spark-ignition engine adalah kinerja mesin dan efisiensi bahan bakar. Salah satu kondisi kerja mesin yang banyak menghabiskan konsumsi bahan bakar adalah kondisi stasioner (idle). Sekitar 30% bahan bakar digunakan untuk menghidupkan dan mempertahankan kinerja mesin pada mesin kondisi kecepatan stasioner (idle speed). Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk mengatasi permasalahan pemakaian bahan bakar pada kondisi stasioner. Kendala yang dihadapi pada penelitian sebelumnya adalah keluaran yang sangat sensitif terhadap perubahan parameter mesin serta proses pembakaran yang bersifat nonlinier. Pada sistem nonlinier, terjadi perubahan parameter yang sangat cepat, sehingga akan sangat sulit untuk dilakukan pengaturan dengan metode linier. Fuzzy sebagai metode yang memiliki kemampuan yang baik untuk melakukan pengaturan pada suatu sistem baik linier maupun non-linier [6][7]. Kontroler logika fuzzy merupakan salah satu kontroler yang membutuhkan perhitungan yang cukup panjang. Pada implementasinya algoritma kontroler akan ditanamkan pada ECU yang memiliki keterbatasan memori dan kecepatan eksekusi data. Oleh karena itu, kontroler diwujudkan dalam look up table agar mampu menghasilkan aksi kontrol yang cepat dan hanya butuh sedikit memori. Kontroler diimplementasikan pada engine control unit berbasis mikrokontroler ATMEGA 8535 dan plant yang digunakan adalah mesin Mitsubishi 4G63 tipe pengapian distributorless. Hasil yang diharapkan dari tugas akhir ini adalah mengimplementasikan sebuah kontroler fuzzy untuk mengatur injeksi bahan bakar pada mesin Mitsubishi 4g63 pada kondisi stasioner untuk mencapai kecepatan putar mesin optimal. II. SPARK IGNITION ENGINE 2.1 Definisi dan Cara Kerja Spark Ignition Engine Spark ignition engine adalah mesin yang mengubah energi yang terkandung di dalam bahan bakar menjadi energi kinetik dengan bantuan pengapian dari luar. Spark Ignition Engine memanfaatkan campuran bahan bakar dan udara dari luar ruang bakar sebagai pemicu proses perubahan energi. [1] Gambar 1. Langkah Kerja Piston Pada Proses Pembakaran Mesin pengapian busi memiliki 4 langkah kerja: langkah hisap, langkah kompresi & pengapian, langkah kerja dan langkah pembuangan. Langkah hisap adalah fase campuran bahan bakar dengan udara masuk melalui katup intake ke dalam ruang bakar. Pada ruang bakar terjadi kompresi ketika piston bergerak ke atas, pengapian dipicu percikan api yang dihasilkan busi, sehingga timbul ledakan pada ruang bakar (langkah kompresi & pengapian). Pada fase berikutnya adalah langkah kerja dimana panas yang dihasilkan pada proses pembakaran menaikan tekanan silinder, sehingga
piston tertekan dan bergerak kebawah. Langkah terakhir adalah pembuangan, gas sisa pembakaran dikeluarkan dari ruang bakar melalui katup pembuangan dan kembali ke langkah pertama. Proses tersebut terus berulang. 4 langkah kerja piston pada proses pembakaran dapat dilihat pada Gambar 1. 2.2 Mesin Kondisi Stasioner Pada kondisi stasioner, udara tidak dilewatkan melalui katup throttle, melainkan melalui celah udara yang bukaannya diatur oleh motor stepper. Mesin diupayakan untuk dijaga dalam kondisi berputar dengan kecepatan yang rendah (sekitar 600-800 rpm). Skema kerja dari pengaturan bukaan katup idle pada mesin kondisi stasioner ditunjukkan pada Gambar 2. Pada saat keadaan stasioner, laju udara tidak lagi melewati throttle melainkan melewati sebuah katup yang dikendalikan oleh motor stepper. Pada kondisi mesin berputar dalam kecepatan stasioner, kecepatan optimal dapat dicapai pada AFR 12 : 1. Grafik perbandingan nilai AFR dengan kecepatan putar mesin ditunjukkan pada Gambar 2. Kondisi kecepatan puncak ditunjukkan pada titik 1. 2.4 Electronic Fuel Injection EFI adalah sistem penyemprotan bahan bakar yang dalam kerjanya dikontrol secara elektronik agar didapatkan nilai campuran bahan bakar dengan udara (AFR) sesuai dengan kebutuhan mesin. Penerapan sistem EFI membuat daya yang dihasilkan oleh mesin lebih optimal dibandingkan sistem injeksi secara mekanis, serta emisi gas buang yang lebih ramah lingkungan. Sistem injeksi bahan bakar dikontrol secara elektronik oleh Engine Control Unit (ECU). EFI dapat dibagi ke dalam tiga sistem yaitu sistem kontrol elektronik, sistem penyaluran bahan bakar, dan sistem induksi udara. Gambar 2. Skema pengaturan katup kecepatan idle 2.3 Perbandingan udara dan bahan bakar pada kondisi stasioner Pada kondisi beroperasi, spark-ignition engine membutuhkan campuran antara bahan bakar dan udara yang direpresentasikan dengan rasio perbandingan jumlah bahan bakar dengan udara yang tercampur (Air to Fuel Ratio/ AFR). Perbandingan ideal dari udara dan bahan bakar untuk satu kali proses pembakaran adalah 14,7:1 yang berarti bahan bakar sebanyak 1 g berbanding dengan udara sebanyak 14,7 g dan disebut sebagai AFR stokiometrik [5]. AFR kondisi aktual yang terjadi di ruang pembakaran dibagi dengan AFR stokiometrik diperoleh harga AFR relatif yang disebut lambda (λ) Gambar 4. Electronic Fuel Injection Volume bensin yang disemprotkan ditentukan oleh lamanya waktu ON dari injektor, waktu ini yang dikenal dengan istilah lebar pulsa injeksi. Sinyal 0 (Active Low) yang merupakan lebar pulsa injeksi menentukan banyaknya bahan bakar yang disemprotkan. Sinyal Lebar Pulsa Injeksi ditunjukkan pada Gambar 5. 1 0 LEBAR PULSA INJEKSI Gambar 5. Sinyal Injeksi III. PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini dibahas mengenai perancangan sistem yang terbagi menjadi tiga bagian yaitu perancangan plant, hardware eletronika, pengambilan data serta perancangan kontroler logika fuzzy berbasis look up table. Gambar 3. Grafik perbandingan bahan bakar dan kecepatan putar mesin [4] 3.1 Perancangan plant spark-ignition engine Perancangan plant dilakukan dengan perancangan komponen sistem injeksi, pengapian, serta sensor-sensor yang dibutuhkan dalam pengontrolan mesin. Plant yang digunakan dalam penelitian ini adalah mesin Mitsubishi 4G63 in line DOHC 2000 cc menggunakan sistem injeksi bahan bakar. Sistem injeksi merupakan sistem distribusi
bahan bakar yang menggunakan injektor sebagai penyemprot bahan bakar yang dikendalikan oleh suatu mikrokontroler sebagai pengontrol dan driver injektor sebagai aktuator. Pada Gambar 6 ditunjukkan gambar mesin yang digunakan. Mesin ini diproduksi pada tahun 1991 dan digunakan pada mobil Mitsubishi Eterna. Gambar 8. Sensor Gambar 6. Mesin Mitsubishi 4g63 3.2 Konfigurasi sensor Karena penggunaan sistem EFI dan pengapian distributorless, mesin membutuhkan beberapa sensor untuk mendeteksi perubahan parameter yang terjadi pada mesin [2][3]. Bacaan sensor tersebut akan menjadi masukan untuk ECU (Electronic Control Unit) sehingga dapat menentukan besarnya sinyal kontrol yang diberikan. Dalam hal ini sinyal kontrol yang diberikan adalah durasi injeksi pada injektor dan waktu pengapian. a. Sensor CAS (Crank Angle Sensor) dan TDC (Top Dead Centre) Sensor ini terdiri dari piringan logam yang memilki celah-celah yang akan dilewati oleh cahaya dari optocoupler. Cahaya yang melewati celah akan dibaca oleh penerima sebagai sinyal masukan pada mikrokontroler untuk menentukan waktu injeksi dan pengapian. Sensor TDC & CAS ditunjukkan pada Gambar 7. 3.3. Perancangan hardware elektronika Engine Control Unit (ECU) merupakan elemen kontrol elektronik utama pada mesin pengapian busi. Penentuan banyak bahan bakar yang digunakan, waktu pengapian dan parameter-parameter lain yang mempengaruhi kinerja mesin dilakukan pada elemen ini, sehingga tanpa adanya aksi dari ECU mesin tidak akan mampu beroperasi seperti sebagaimana mestinya. Masukan dari sensor-sensor yang terdapat pada mesin diolah dan dikalkulasi di dalam ECU, sehingga mampu memberikan aksi kontrol langsung pada aktuator. Pengolahan sinyal masukan hingga memberikan nilai keluaran dilakukan dengan algoritma tertentu yang ditanamkan pada mikrokontroler. Di dalam ECU terdapat 2 unit mikrokontroler, rangkaian debouncing, dan pengkondisi sinyal keluaran. Mikrokontroler berfungsi sebagai elemen pengolah, pengkalkulasi dan penentu keputusan aksi kontrol, rangkaian debouncing berfungsi sebagai penghalus sinyal sensor TDC dan CAS akibat munculnya efek bounching (semacam ripple kecil pada bagian keadaan high), sedangkan pengkondisi sinyal keluaran digunakan untuk menyesuaikan sinyal agar dapat diterima oleh aktuator. Pada Gambar 3.17 ditunjukkan ECU yang digunakan dalam penelitian ini. Keterangan (dari kanan atas searah jarum jam) : Rangkaian driver pengapian dan injeksi, unit mikrokontroler untuk pengapian, unit mikrokontroler untuk injeksi, rangkaian debouncing. Gambar 7. Sensor TDC dan CAS b. Sensor Sensor kecepatan digunakan untuk mengetahui kecepatan putar mesin. Sensor ini bekerja dengan prinsip induksi, yaitu setiap perubahan flux magnet akan menginduksi EMF dalam kumparan. Tegangan keluaran sensor induktif mendekati bentuk gelombang sinusoidal. Amplitudo sinyal ini bergantung pada perubahan flux yang terjadi. Keluaran tegangan akan berbanding lurus dengan kecepatan putar mesin (rpm). Sensor ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar 9. Engine Control Unit (ECU) IV. PERANCANGAN KONTROLER LOGIKA FUZZY Pada perancangan tugas akhir ini, kondisi mesin adalah tidak berbeban, sehingga dengan penambahan bukaan katup idle akan menambah rpm mesin. Perancangan kontroler logika fuzzy didasari dari data hubungan lebar pulsa injeksi dengan kecepatan putar mesin dan variasi bukaan katup idle. Nilai operating point atau titik tengah dari fungsi keanggotaan fuzzy merupakan nilai optimal dari konsumsi bahan bakar. Nilai optimal adalah nilai konsumsi bahan
bakar yang paling sedikit untuk mencapai kecepatan tertinggi pada bukaan katup idle tertentu, nilai optimal dicari dengan cara melakukan eksperimen. Tabel 1. mesin variasi bukaan katup idle Bukaan Kondisi Injeksi Minimal Kondisi Mesin optimal Kondisi Mesin Injeksi Maksimal Idle LPI (ms) (RPM) LPI (ms) (RPM) LPI (ms) (RPM) 0% 3.162 720 3.57 831 8.058 513 10% 3,315 830 3.57 850 7,65 533 20 % 3.06 870 3.315 920 7,65 569 30% 3.315 950 3.57 1010 8,16 605 40% 3.315 910 3.57 1100 7,65 668 Diagram blok dari sistem pengaturan injeksi bahan bakar pada kondisi stasioner ditunjukkan pada Gambar 4.2. Tujuan dari implementasi kontroler pada mesin adalah ketercapaian kecepatan optimal pada masing masing bukaan katup idle. KECEPATAN REFERENSI + - ERROR FUZZY LOOK UP TABLE (ECU) AKTUATOR (INJEKTOR) PLANT (SPARK IGNITION ENGINE) KECEPATAN sinyal kontrol berupa lebar pulsa injeksi bahan bakar. Aturan kontroler fuzzy ditunjukkan pada tabel 4. Tabel 4. Rule Base Error NB Z PB Ref NB Z Z PB Z NB Z PB PB NB Z PB 4.3 Defuzzifikasi Untuk mendapatkan nilai aksi kontrol (u) perlu dilakukan proses defuzzifikasi, dalam hal ini dipilih defuzzifikasi dengan metode COA (center of area). Persamaan dari defuzzifikasi COA ditunjukkan pada persamaan 1. KECEPATAN AKTUAL SENSOR KECEPATAN... (1) Gambar 10. Diagram Blok Pengaturan 4.1 Fuzzifikasi Pada kontroler Fuzzy digunakan jenis fungsi keanggotaan segitiga sama kaki dan digunakan dua variabel masukan yaitu nilai kesalahan (error) dan nilai kecepatan referensi. Keluaran dari kontroler fuzzy adalah lebar pulsa injeksi yang menggunakan jenis keanggotaan segitiga sama kaki dan trapesium. µ NB 830 Z PB 950 1100 Referensi (rpm) Gambar 11. Fungsi Keanggotaan masukan kecepatan referensi µ NB Z PB 4.4 Look Up Table Nilai aksi kontrol yang didapatkan dari proses defuzzifikasi kemudian dibentuk sebuah tabel sederhana. Tabel ini yang dimasukkan ke dalam algoritma pemrograman mikrokontroler. Tabel yang berisi sinyal kontrol ditunjukkan pada Tabel 5. ref e Tabel 5. Look Up Table -200-100 0 100 200 831 3,56 3,56 3,57 3,61 3,79 850 3,55 3,55 3,57 3,61 3,79 920 3,45 3,52 3,57 3,61 3,79 1010 3,54 3,56 3,57 3,62 3,81 1100 3,57 3,57 3,58 3,63 3,83 V. HASIL IMPLEMENTASI -200 0 200 Error (rpm) 5.1 Hasil Implementasi dengan bukaan katup idle 0% µ Gambar 12. Fungsi Keanggotaan error NB Z PB 3,2 3,23 3,57 3,91 3,98 Lebar Pulsa injeksi (ms) Gambar 13. Fungsi Keanggotaan keluaran lebar pulsa injeksi 4.2 Rule Base Aturan dasar fuzzy digunakan untuk menghubungkan sinyal masukan dengan sinyal keluaran untuk menentukan Gambar 14. Data Respon pada bukaan katup idle 0%
Pada Gambar 14 ditunjukkan hasil pengujian pada mesin kondisi stasioner untuk bukaan katup idle 0%, kecepatan optimal sebagai nilai referensi adalah 831 rpm dan nilai kecepatan rata rata hasil pengujian adalah 831,1 rpm. Nilai error root mean square adalah 39,2 rpm dan persentase dari E rms adalah 4,71%. kecepatan rata rata hasil pengujian adalah 1003 rpm. Nilai error root mean square adalah 43.69 rpm dan persentase dari E rms adalah 4,32%. 5.5 Hasil Implementasi dengan bukaan katup idle 40% 5.2 Hasil Implementasi dengan bukaan katup idle 10% Gambar 18. Data Respon pada bukaan katup idle 40% Gambar 15. Data Respon pada bukaan katup idle 10% Pada Gambar 15 ditunjukkan hasil pengujian pada mesin kondisi stasioner untuk bukaan katup idle 10%. optimal sebagai nilai referensi adalah 850 rpm dan nilai kecepatan rata rata hasil pengujian adalah 876.6 rpm. Nilai error root mean square adalah 56.73 rpm dan persentase dari E rms adalah 6,67%. 5.3 Hasil Implementasi dengan bukaan katup idle 20% Gambar 16. Data Respon pada bukaan katup idle 20% Pada Gambar 16 ditunjukkan hasil pengujian pada mesin kondisi stasioner untuk bukaan katup idle 20%. optimal sebagai nilai referensi adalah 920 rpm dan nilai kecepatan rata rata hasil pengujian adalah 905 rpm. Nilai error root mean square adalah 48.17 rpm dan persentase dari E rms adalah 5,23%. 5.4 Hasil Implementasi dengan bukaan katup idle 30% Pada Gambar 18 ditunjukkan hasil pengujian pada mesin kondisi stasioner untuk bukaan katup idle 40%, kecepatan optimal sebagai nilai referensi adalah 1100 rpm dan nilai kecepatan rata rata hasil pengujian adalah 1112 rpm. Nilai error root mean square adalah 54.33 rpm dan persentase dari E rms adalah 4,93%. VI. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 1. Kontroler fuzzy yang dirancang dalam bentuk look up table mampu untuk mengontrol lebar pulsa injeksi bahan bakar pada mesin Mitsubishi 4g63 untuk mencapai kecepatan optimal, nilai Error root mean square dari 5 variasi bukaan katup idle kurang dari 6,5%. 2. Pengaturan injeksi bahan bakar pada kondisi kecepatan stasioner tidak harus menggunakan parameter tekanan absolut manifold, karena perubahan tekanan manifold pada kondisi stasioner sangat kecil, kecuali bila throttle dibuka mendadak. 5.2 Saran 1. Untuk implementasi pada plant riil perlu dipertimbangkan penggunaan mikrokontroler dengan memori lebih besar dibandingkan ATMEGA 8535, ataupun penggunaan bahasa assembly. Pada tugas akhir ini masih menggunakan algoritma fuzzy sederhana karena keterbatasan memori mikrokontroler. 2. Pembuatan Engine Control Unit yang kompak dan lebih sederhana sehingga memudahkan proses troubleshooting karena pada pengaturan riil seringkali terjadi kerusakan, khususnya pada pengkabelan dan komponen elektronika ECU. DAFTAR PUSTAKA Gambar 17. Data Respon pada bukaan katup idle 30% Pada Gambar 17 ditunjukkan hasil pengujian pada mesin kondisi stasioner untuk bukaan katup idle 20%, kecepatan optimal sebagai nilai referensi adalah 1010 rpm dan nilai [1] Wicaksono, Luhur, Desain dan Implementasi Sistem Pengaturan Air to Fuel Ratio pada Spark-Ignition Engine Menggunakan Metode Fuzzy Prediktif dengan Neural-Network Sebagai Estimator berbasis Mikrokontroler AT89C55, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro ITS, Februari, 2007. [2] Susila, Joko, Pendekatan Pembakaran yang Optimal pada Spark- Ignition Engine dengan Menggunakan Genetic Algorithm, Tesis Program Pasca Sarja Program Studi Teknik Elektro ITS, Januari, 2004 [3] Ngasu, Eduardus D, Desain dan Implemetasi Observer untuk Pengukuran Air Fuel Ratio pada Spark Ignition Engine dengan
Menggunakan Neural-Network Berbasis Rangkaian Analog, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro, Juni 2006. [4] Denton, Tom, Automobile Electrical and Electronic System, Elsevier Butterworth-Heinemann, Oxford 2004. [5] Kiencke, U., Nielsen, L., Automotive Control Systems for Engine, Driveline, and Vehicle, Springer, Berlin 2000. [6] Jang, J.-S. R., Sun, C.-T., Mizutani, E., Neuro-Fuzzy and Soft Computing, Prentice Hall, USA 1997. [7] Yan, J., Ryan, M., Power, J., Using Fuzzy Logic Prentice Hall, London 1994. RIWAYAT HIDUP Indra Permana Putra lahir di Surabaya, 29 Januari 1989. Menghabiskan sebagian masa kecilnya di Kota Palembang, Sumatera Selatan. Menamatkan TK sampai SMP di YSP PT PUSRI, kemudian ke SMA Kusuma Bangsa Palembang. Sekarang sedang menempuh studi di bidang studi Teknik & Sistem Pengaturan, Teknik elektro ITS. Pada bulan Juli 2011 penulis mengikuti seminar dan ujian tugas akhir pada bidang studi Teknik Sistem Pengaturan (TSP), Jurusan Teknik Elektro, FTI ITS sebagai salah satu persyaratan untuk mempeeroleh gelar sarjana Teknik.