Karakterisasi dan Pengembangan Awal Sistem Kontrol pada Mesin Otto Satu Silinder Empat Langkah Berkapasitas 65 cc Gema Perwira Putra, Gandjar Kiswanto 1) Mahasiswa S-1, Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik. Universitas Indonesia, Depok 16424 2) Dosen Pembimbing, Departemen Teknik Mesin. Fakultas Teknik. Universitas Indonesia, Depok 16424 Email : Gemapp.mesin09@gmail.com ABSTRAK Perkembangan teknologi dari motor pembakaran dalam merupakan salah satu perkembangan teknologi tercepat yang pernah ada. Sebagai mahasiswa tentunya kita harus ikut terjun dalam perkembangan yang sedang terjadi, salah satunya dengan mendesain mesin sesuai dengan kebutuhannya. Pada penelitian ini akan dibahas karakterisasi dari mesin otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65 cc. Tujuan dari penelitian ini adalah mendapatkan data efisiensi bahan bakar dan emisi terendah dari karakterisai mesin tersebut untuk dijadik acuan dalam pengembangan awal sistem EFI pada mesin otto satu silinder berkapasitas 65 cc. untuk itu pembuatan alat uji dilakukan, kemudian pengujian alat menggunakan buret untuk mendapatkan data konsumsi bahan bakar dan gas analyzer untuk mendapatkan data emisi (CO, CO2, O2, HC). Pengujian dilakukan dengan variasi dari letak busi, jumlah busi dan perbedaan derajat pengapian. Dari hasil pengujian diperoleh data peletakan busi mempengaruhi jumlah konsumsi bahan bakar dan kadar emisi gas buang, jumlah busi yang digunakan meningkatkan efisiensi dari konsumsi bahan bakar dan kadar emisi yang rendah. Berdasarkan pengujian tersebut, pengembangan ECU mutlak diperlukan untuk perbaikan dari sistem pembakaran agar diperoleh efisiensi bahan bakar yang besar dan kadar emisi yang rendah. Kata Kunci : konsumsi bahan bakar, emisi gas buang, derajat pengapian, sistem kontrol 1. PENDAHULUAN Bahan bakar minyak merupakan sumber daya alam yang sangat banyak dipergunakan di muka bumi ini. Bahan bakar minyak banyak sekali menjadi pendukung dalam mempermudah kehidupan manusia sekarang seperti untuk pembangkit tenaga listrik dan yang sering kita gunakan sehari hari adalah dalam penggunaannya sebagai energy untuk alat transportasi baik udara, lautan dan yang paling banyak adalah transportasi darat. Alat transportasi yang berada didarat jumlahnya sudah tidak terbatas tetapi bahan bakar minyak sebagai sumber energy jumlahnya terbatas. Salah satu cara untuk mengajak mahasiswa ikut berperan dalam perkembangan teknologi motor pembakaran dalam adalah dengan membuat suatu kompetisi yang berkaitan dengan peningkatan efisiensi motor pembakaran dalam tersebut. Kompetisi yang sudah ada sejak tahun 1939 di Amerika Serikat dan baru ada pada tahun 2010 dibenua Asia. Dalam kompetisi ini,terdapat dua kategori utama yaitu (urban concept) dan (prototype) dimana tujuan utama dari kompetisi ini adalah kendaraan yang bisa menempuh jarak paling jauh dengan hanya menggunakan 1 liter bahan bakar. Bentuk kendaraan yang aerodinamis merupakan salah
satu cara untuk menciptakan mobil yang efisien, tidak hanya itu teknologi pada motor pembakaran dalam juga sangat berperan seperti pada system control pemasok bahan bakar dan system pengapian. Pembakaran merupakan proses perubahan energi yang sangat mahal, terbatas, dan merugikan lingkungan, kita harus menggunakannya dengan sangat Efisien. Efisiensi merupakan hal utama yang harus dimiliki setiap mesin kendaraan bermotor, karena dari efisensi tersebut, kita bisa memiliki kadar gas buang yang sangat rendah.. Setiap konsekuensi yang diberikan dari hasil penggunaan bahan bakar ini harus dimanfaatkan dengan sebaik mungkin, jangan sampai kerugian besar yang ditimbulkan hanya memberikan manfaat yang kecil. Pada penelitian ini akan dilakukan riset mengenai karakterisasi dari mesin otto yang dibuat dalam peran serta kemajuan teknologi dan pengembangan awal system control EFI pada mesin tersebut. 2. PENGEMBANGAN MESIN Internal Combustion Engine atau dalam bahasa Indonesia berarti Motor Pembakaran dalam merupakan mesin yang mengkonversi energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi mekanis untuk menggerakan sebuah alat. Pada tahap awal, Energi kimia yang terkandung dalam bahan bakar diubah menjadi energi panas dengan melaluli proses pembakaran atau oksidasi dengan tambahan udara di dalam ruang bakar. Proses tersebut akan menaikan temperature dan tekanan didalam ruang bakar, tekanan tinggi tersebutlah yang akan mampu menggerakan mekanisme mekanik pada mesin sehingga dapat menjalankan alat yang diharapkan. 2.1 DOHC DOHC (Double Overhead Camshaft) berarti memiliki dua buah cam disetiap Cylindernya. Alasan utama penggunaan DOHC pada Motor Pembakran yang dibuat adalah dimana DOHC akan lebih mudah diatur waktu pembukaan dan waktu penutupannya dibandingkan SOHC dimana kita harus melakukannya secara manual.
GambGambar 2.1. DOHC 2.2 Twin Spark Teknologi dua busi bisa mengatasi masalah dari lambatnya pembakaran yang terjadi pada mesin dengan satu busi. Dua busi berarti terdapat satu tambahan busi didalam sebuah kepala silinder. Dengan menambahkan busi didalam sebuah kepala silinder, akan terjadi dua buah ledakan yang menghasilkan dua buah nyala api yang mempercepat perambatan dari api tersebut sehingga bisa mengurangi waktu dari pembakaran habis bahan bakar yang ada didalam ruang bakar. Pengurangan waktu perambatan pembakaran akan menaikan tekanan dari hasil pembakaran tersebut sehingga akan menghasilkan torsi yang lebih besar juga manambah efisiensi dari pembakaran. Gambar 2.2. Penerapan dua busi pada mesin otto
Gambar 2.3. potongan melintang penerapan dua busi Banyak sekali mesin pembakaran yang ada di pasaran, dalam penelitian ini pengembangan mesin dilakukan agar sesuia dengan kebutuhan dari kompetisi yang akan diikuti. Berikut spesifikasi dari motor pembakaran dalam tersebut: Tipe Mesin : 4 langkah, DOHC, berpendingin Udara Sistem Bahan Bakar : Karburator Diameter x langkah : 36 x 63.5 mm Kapasitas : 65 cc Rasio Kompresi : 14 : 1 Daya Maksimum : 3,92 Hp / 5000 Rpm (teoritis) Torsi Maksimum : 5,58 Nm / 5000 Rpm (teoritis) Kapasitas Pelumasan : 0.15 Liter Accu : 12 V, 5 Ah Busi : C7HSA 2 buah Sistem Pengapian : Twin Spark DC-CDI 3. KARAKTERISASI MOTOR Riset ini bertujuan untuk meneliti konsumsi bahan bakar dan kadar emisi gas buang mesin otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65cc karya mahasiswa mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia berdasarkan dari penggunaan jumlah busi, letak busi dan variasi timing
pengapian. Metode yang yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimental dengan alur urutan kegiatan sebagai berikut : 1. Studi litelatur 2. Persiapan dan istalasi Alat Uji 3. Pengujian Pengujian Dilakukan dalam 4 kategori : a. Membandingkan konsumsi bahan bakar dari penggunaan busi bagian kanan, busi bagian kiri dan kedua busi. b. Membandingkan konsumsi bahan bakar dari penggunaan timing pengapian standar, racing dan kompetisi c. Membandingkan kadar emisi gas buang dari penggunaan busi bagian kanan, busi bagian kiri dan kedua busi d. Membandingkan kadar emisi gas buang dari penggunaan timing pengapian standar, racing dan kompetisi. 4. Proses pengambilan Data 5. Analisa dan Kesimpulan Hasil pengujian 3.1 Mapping pengapian yang digunakan dalam penelitian ini. Gambar 3.1. Maping pengaapian standart
Gambar 3.2. Maping pengapian Tune-Up Gambar 3.3. Maping pengapian Racing
3. 2 Dari hasil pengujian, diperoleh data konsumsi bahan bakar dari beragam variasi sebagai berikut : Data yang di tampilkan adalah pada saat detik ke 240 semua variasi. Gambar 3.4 Perbandingan Konsumsi Rpm 2000 pada detik ke 240 Gambar 3.5 Perbandingan Konsumsi Rpm 2500 pada detik ke 240
Gambar 3.6 Perbandingan Konsumsi Rpm 3000 pada detik ke 240 Gambar 3.7 Perbandingan Konsumsi Rpm 3500 pada detik ke 240 Gambar 3.8 Perbandingan Konsumsi Rpm 4000 pada detik ke 240
Dari ke lima grafik diatas, terlihat bahwa trerdapat perbedaan konsumsi bahan bakar pada rpm 2000, 2500 dan 3000. Hal tersebut seharusnya tidak terjadi karena derajat pengapian pada variasi tersebut masih sama yaitu 15 o 27 o dan 30 o. Perbedaan terjadi karena perbedaan letak busi, dimana berdasarkan grafik diatas letak busi terbaik cendrung berada di sebelah kanan. Pada rpm 3500 dan 4000. Menunjukan perbedaan yang tidak terlalu signifikan perbedaan tersebut terjadi karena adanya perbedaan derajat pengapian. Dari data diatas derajat pengapian terbaik ada pada derajat pengapian standart dan letak busi ada di sebelah kanan. Grafik hasil penggunaan 2 busi. Gambar 3.9 Perbandingan Konsumsi Rpm 3500 pada detik ke 240 Gambar 3.10 Perbandingan Konsumsi Rpm 4000 pada detik ke 240
Dari kedua grafik diatas terlihat pada Rpm 3500 detike ke 240 konsumsi bahan bakar teririt diperoleh dengan menggunakan pengapian tune-up, hanya memiliki perbedaan yang kecil dengan pengapian standart. Pada Rpm 400 konsumsi bahan bakar teriirit diperoleh dengan menggunakan pengapian standart dengan perbedaan yang cukup signifikan diantara pengapian yang lainnya. Hal ini mengindikasikan bahwan derajat pengapian terbaik untuk penggunaan 2 busi adalah derajat pengapian standart. 3.3 data kadar emisi gas buang pada penggunaan 2 busi pengapian standart, tune-up dan racing serta kadar emisi mesin 110 cc Gambar 3.11. Perbandingan kadar CO pengapian 2 busi mesin 65 cc dengan mesin 110cc Gambar 3.12. Perbandingan kadar CO2 pengapian 2 busi mesin 65 cc dengan mesin 110cc
Gambar 3.13. Perbandingan kadar O2 pengapian 2 busi mesin 65 cc dengan mesin 110cc Gambar 3.14. Perbandingan kadar HC pengapian 2 busi mesin 65 cc dengan mesin 110cc Grafik diatas menunjukan kadar CO, CO2, O2 dan HC dari system 2 busi dengan berbagai variasi derajat pengapian. Kadar CO terendah dimiliki oleh system dua busi dengan pengapian standart. Kadar CO2 tertinggi dimiliki oleh system dua busi dengan pengapian tune-up. Kadar O2 terendah dimiliki oleh system dua busi dengan pengapian tune-up. Kadar HC terendah
dimiliki oleh system dua busi dengan pengapian standart. Pada dasarnya terdapat perbedaan dari masing masing nilai emisi, namun dari ketiganya memiliki persamaan yaitu kadar CO yang dimiliki rendah yaitu dibawah 5%. Kadar CO2 yang rendah yaitu dibawah 5 %. Kadar O2 yang tinggi yaitu diatas 12 %. Kadar HC yang tinggi yaitu diatas 200ppm. Dai persamaan diatas bisa ditarik kesimpulan bahwa AFR pada saat pengukuran terlalu kurus. Pada grafik diatas menunjukan bahwa kadar CO pada mesin 110 cc memiliki persentase yang lebih tinggi dibandingkan dengan yang lain. Kadar CO2 memiliki presentasi yang tinggi dibandingkan ketiganya. Kadar O2 lebih rendah dibandingkan dengan ketiganya dan kadar HC lebih rendah dibandingkan dengan ketiganya. Dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa mesin 110 cc pada saat pengujian memiliki AFR yang kurus tetapi tidak sekurus AFR dari tiga yang lainnya. 4. PENGEMBANGAN SISTEM KONTROL Dari data karakterisasi mesin otto satu silinder tersebut menunjukan bahwa pengoptimalan masih bisa dilakukan agar mendapatkan konsumsi bahan bakar yang lebih irit dan kadar emisi yang rendah. Oleh karena itu diperlukannnya pengembangan ECU yang dapat mengontrol algoritma pembakaran. Dalam pengembangan ECU sebagai alat kontrol elektronik mesin otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65cc ini dilakukan setelah melihat data hasil karakterisasi dari mesin otto tersebut. Alur perkembangan ECU adalah sebagai berikut: 1. Studi Literatur 2. Batasan Masalah 3. Parameter Pembakaran 4. Pengembangan Hardware 5. Pengembanmgan Software
Gambar 4.1. Hardware, software, sensor dan device yang digunakan Algoritma parameter pembakaran : 1. Input Terdapat dua input yang dijadikan acuan sebagai parameter pembakaran yaitu posisi crankshaft dan posisi katup kupu-kupu ( Trhrottle Position ) 2. Proses Setelah input diperoleh, selanjutnya akan diolah untuk bisa memberikan data keluaran yang tepat dan akurat ke injector dan spark 3. Output Setelah data output diterima, data tersebut akan dijadikan masukan oleh injector dan spark untuk mulai bekerja Pengembangan Hardware Gambar 4.2. Hardware Architectur
Design kontrol architecture diatas merupakan design ECU yang akan dibuat dalam penelitian ini. Terdapat 1 buah MCU sebagai mikro kontroler utama, 4 buah driver sebagai modul ADC, 2 buah sensor input dan 2 buah alat Output. Pengembangan Software Gambar 4.3. Software Architectur Design software architecture diatas merupakan design dari software ECU yang akan dibuat dalam penelitian ini. Dengan menggunakan labview Reat-time dan Labfiew FPGA, penulis mencoba membuat sistem kontrol untuk mengontrol hardware yang akan dijalankan. 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan Dari penelitian ini dapat ditaik kesimpulan sebagai berikut: 1. Pada mesin otto satu silinder empat langkah berkapasitas 65 cc, bila menggunakan satu busi, letak busi terbaik untuk mendapatkan konsumsi bahan bakar berada disebelah kanan terlihat pada rpm 2000, 2500 dan 3000 2. Bila menggunakan satu busi derajat pengapian terbaik untuk mendapatkan konsumsi bahan bakar ada pada derajat pengapian standart terlihat dari grafik pada rpm 3500 dan rpm 4000 3. Bila menggunakan dua busi maka pengapian terbaik untuk mendapatkan konsumsi bahan bakar ada pada derajat pengapian racing untuk rpm 3500 dan standart untuk rpm 4000 4. Pada penggunaan satu busi Kadar CO terendah dan HC terendah ada pada penggunaan busi kiri pengapian standart
5. Pada penggunaan satu busi Kadar CO2 tertinggi dan O2 terendah ada pada penggunaan busi kanan pengapian standart 6. Pada penggunaan dua busi Kadar CO terendah dan HC terendah ada pada penggunaan busi dengan pengapian standart 7. Pada penggunaan dua busi kadar CO2 tertinggi dan O2 tererendah ada pada penggunaan busi dengan pengapian tune-up 8. Pada saat pengambilan data AFR pada mesin 65 cc dan mesin 110 cc berada pada tingkatan AFR kurus. 5.2 Saran 1. Untuk penelitian selanjutnya beberapa parameter pembakaran perlu ditambahkan seperti camshaft duration 2. Diperlukannya data power, tractive effort untuk bisa mendapatkan data BSFC 3. Menambahkan Sensor seperti oksigen sensor dan Map sensor pada pengembangan ECU agar diperoleh hasil yang maksimal 6. REFERENSI [1] Sugiarto, Bambang. Motor Pembakaran Dalam. Jakarta: Universitas Indonesia [2] Altin, Ismail.2007. A parametric study on the performance parameters of a twin-spark SI engine. [3] Ahamed. S Ijaz. Digital Twin Spark Ignition & Its Advances [4] Tufel, Noorani. Digital Twin Spark Ignition (Dtsi) [5] Yamin, Jehad A. A.Effect of combustion duration on the performance and emission characteristics of a spark ignition engine using hydrogen as a fuel. [6] Heywood JB. Combustion chamber design for optimum spark-ignition engine performance.int J veh Des 1984 [7] V.L. Maleev 1945. Internal combustin engine. [8] Ramtilak A, Joseph A, Sivakumar G, Bhat SS. Digital twin spark ignition for fuel economy and emission on four stroke engine. SAE paper no. 2005-26-08