PENGARUH SISTEM PENGAPIAN TERHADAP EMISI GAS BUANG
Rosehan Abstract Emisi gas buang adalah hasil reaksi pembakaran campuran udara-bahan bakar di dalam ruang bakar yang membentuk dissosiasi baru. Emisi gas buang sebagian besar berbahaya tehadap lingkungan. Pembakaran di dalam ruang bakar yang terjadi akan sangat tergantung dengan kapan, berapa lama dan besar energi pembakar yang mampu dilaksanakan oleh suatu sistem pengapian. Pada bahasan berikut akan dicoba menganalisa hubungan Emisi gas buang terhadap sistem pengapian berdasarkan refrensi dan pengamatan. Kata kunci: Emisi gas buang, sistem pengapian
PENDAHULUAN Pada era tahun 1966 automobil merupakan sumber utama penyebab polusi. Sekarang emisi dari automobil sangat berkurang karena adanya kepedulian pemerintah dan kalangan pecinta lingkungan hidup dan upaya ahli teknik pembuat kendaraan. Polusi Udara yang terkontaminasi pada atmosfir dapat mengganggu manusia, binatang dan tumbuh-tumbuhan. Polusi dapat disebabkan oleh alam itu sendiri atau karena perbuatan manusia. Polusi akibat oleh alam antara lain bersumber dari debu angin topan, letusan gunung berapi, kebakaran hutan serta siklus dari tumbuh-tumbuhan dan binatang. Polusi yang dibuat oleh manusia berasal dari industri, kimia sintetik, dari sistem transportasi dan automobil. EMISI GAS BUANG Motor automobil dengan pembakaran dalam (internal combustion engine) mengeluarkan tiga bahan pengotor utama, yaitu; hydrocarbon (HC), carbon monoxide (CO), dan oxide nitrogen (NOx). Hasil sampingan pembakaran pada motor berupa partikel timah, belerang, arang dan partikel
lain, seperti sulfur oxide. Motor Diesel mengeluarkan lebih sedikit HC dan CO tetapi lebih banyak partikel dan sulfur oxide daripada motor bensin. Hydrocarbon (HC) Bensin, minyak Diesel, dan minyak pelumas semua merupakan hydrocarbon. Emisi HC dari sebuah automobil adalah sebagian besar bersumber dari bahan bakar yang tidak terbakar dan dikeluarkan pada saluran pembuangan. Hasil pembakaran pada motor bensin pada automobil memberikan konstribusi sebesar 60% dari yang dihasilkan oleh sebuah automobil 1). Hydrocarbon dapat dikurangi dengan pembakaran sempurna. Bila motor membakar semua bahan bakar secara sempurna, tidak akan ada HC pada saluran buang, hanya uap air (water vapor) dan carbon dioxide (CO2)
2,3
). Tetapi jarang sekali pembakaran yang berlangsung sempurna. Bila
campuran udara-bahan bakar terlalu kaya, tidak semua bahan bakar dapat tebakar atau salah satu silinder gagal melakukan pembakaran campuran udara-bahan bakar, maka udara-bahan bakar yang tidak terbakar akan dikeluarkan ke saluran buang 1). Carbon Monoxide (CO) Carbon monoxide juga diakibatkan oleh pembakaran yang tidak sempurna. Banyak CO dihasilkan bergantung pada bagaimana hydrocarbon bahan bakar dibakar. Bila campuran kaya, maka tidak cukup oxygen (O2) tersedia bersenyawa dengan carbon untuk membentuk CO2. Campuran udara bahan bakar dimungkinkan sangat kurus sekali yang mengandung cukup oxygen untuk membentuk CO2 dengan tanpa CO. Pada kenyataan, pembentukan CO tidak dapat dihilangkan secara sempurna dari proses pembakaran di dalam motor 1, 2). Oxides of Nitrogen (NOx) Temperatur dan tekanan tinggi dari pembakaran akan menghasilkan dayaguna yang baik dan penghematan bahan bakar. Kondisi ini juga menghasilkan oxides of nitrogen (NOx). Udara terdiri dari 21 prosen oxygen dan 78 prosen nitrogen. Bila temperatur pembakaran melampaui 1370o C, oxygen dan nitrogen akan bersenyawa dalam jumlah besar membentuk Nox 1)
Emisi NOx tidak beracun, bila dalam jumlah besar NOx dan HC dalam udara mencapai ratio tertentu, senyawa-senyawa tersebut saling mengikat menjadi kabut yang menghalangi cahaya matahari, karena membentuk rumah kaca. SISTEM PENGAPIAN Sistem pengapian sangat diperlukan untuk meyalakan campuran udara-bahan bakar pada pembakaran di motor bensin. Pembakaran ini sama penting dengan sistem pengontrol emisi untuk mengurangi hasil pembakaran yang berbahaya. Sistem Pengapian Konvensional Sistem pengapian konvensional menggunakan kontak pemutus (breaker point) sebagai pengatur menghantarkan arus listrik ke induksi kumparan primer. Kontak pemutus terbuka dan tertutup diatur oleh poros nok di dalam distributor, lama arus menghantar atau lama kontak terhubung (tertutup) disebut dwell-angle. Untuk menghindari lompatan bunga api pada kontak
pemutus
pada
saat
kontak
mulai terbuka, kontak pemutus
dihubungkan parallel dengan kapasitor. Arus dibutuhkan pada kumparan primer antara 1 Ampere sampai 4 Ampere dengan tegangan 9 VDC sampai 12 VDC 1). Bila kontak pemutus terhubung, sesaat kemudian kontak pemutus terlepas akan meningkat dengan cepat medan induksi akan meningkat cepat dengan tegangan sebesar 250 Volt sampai 400 Volt, maka pada kumparan induksi sekunder akan menghasilkan tegangan tinggi antara 5.000 Volt sampai 25.000 Volt 1). Tegangan tinggi dihasilkan oleh induksi kumparan sekunder diarahkan oleh pembagi (distributor) ke busi. Pada system pengapian konvensional terkadang dilengkapi dengan resistor R IGNITION SWITCH
BATTERY
INDUC. COIL HV
P BREAKER POINT
C
S
(sering disebut ballast) digunakan untuk penghantaran arus listrik secara terus-menerus, pada saat awal
motor
resistor
dihubungkan
(by-pass). Gambar 1. sistem pengapian konvensional 2)
(start)
dihidupkan langsung
Atau pada kumparan primer dibuat kumparan secara bertingkat untuk mengatasi tujuan yang sama pada penggunaan resistor. Kelemahan sistem pengapian konvensional 2): a. Dayaguna jelek pada putaran motor yang tinggi dikarenakan arus listrik terbatas disebabkan pengambangan mekanik pemutus arus. b. Ketidak mampuan membakar sebagian kotoran pada busi, dikarenakan tegangan yang rendah saat kenaikan tegangan. c. Umur kontak pemutus relatif singkat karena dialiri arus yang besar pada saat putaran rendah. Umur busi relatif lebih singkat dikarenakan energi besar dilepaskan pada saat putaran rendah. d. Susah start dikarenakan pembukaan kontak pemutus terlambat terhadap kecepatan engkol e. Tegangan sekunder dihasilkan tidak teratur dipengaruhi kontak pemutus Sistem Pengapian Transistor Assisted Contacts (TAC) Sistem
Pengapian
Transistor
Assisted
Contacts
merupakan
pengembangan dari Transistor Switching (TS), cara kerja sama dengan sistem
pengapian
konvensional.
Sistem
pengapian
ini
memperbaiki
kelemahan pada kontak pemutus yang sering mengalami gangguan hangus permukaan
kontak
(lapisan
platina).
Transistor
switching
masih
menggunakan kontak pemutus yang hanya berfungsi sebagai sensor mekanik tanpa kapasitor, sedangkan pada Transistor Assisted Contacts sensor mekanik diganti dengan electrical pulse TRANSISTOR
R
IGNITION SWITCH
BATTERY
TRANSISTOR
INDUC. COIL HV
P
S
BREAKER POINT
C
IGNITION SWITCH
INDUC. COIL
P
HV
S
BATTERY SIGNAL SHAPING CIRCUIT
PULSE PICKUP
Gambar 2a sistim pengapian TS 2)
R
GEAR TOOTH
Gambar 2b Sistem pengapian TAC 2)
Kelebihan sistem pengapian TS dan TAC dibandingkan sistem pengapian konvensional 2): a. Umur pemutus arus lebih panjang karena pada kontak pemutus arus listrik kecil sehingga motor mudah dihidupkan. b. Induktansi primer rendah sehingga dapat menurunkan arus listrik primer, mengakibatkan penurunan tegangan pada putaran lebih tinggi. c. Tinggi angkat dan nyala bunga api pada kontak pemutus sangat kecil sehingg
meningkatkan
dwell-time,
mengurangi
pengambangan
mekanik kontak pemutus. d. Tegangan sekunder dihasilkan teratur karena tidak dipengaruhi kontak pemutus Sistem Pengapian Capacitive Discharge Ignition (CDI) Pada Capacitive Discharge Ignition system, Arus dan tegangan utama memberi muatan pada kapasitor dalam modul sirkuit pengapian. Pada waktu di mana modul sirkuit pengapian sedang berlangsung dan kapasitor diberi muatan selama periode dwell secara bersamaan, arus tidak dihantarkan ke kumparan primer pada kondisi ini, tetapi arus dihantarkan ke kapasitor. Tegangan yang dihantarkan ke kapasitor antara 300 Volt sampai 400 Volt berasal dari power circuit. Selama kapasitor diberi muatan, triac dalam kondisi hubungan tebuka (open circuit) untuk menjaga kapasitor tidak melepas muatan 1, 4). Bila Timing circuit mengirim signal pulse ke gate dari triac, maka terjadi hubungan tertutup (close circuit), sehingga kapasitor melepas muatan. Kapasitor melepas muatan bertegangan ke kumparan primer. Tegangan primer tiba-tiba meningkat dan arus meng-induksi tegangan tinggi sekunder pada kumparan (coil). Tegangan sekunder (HV) ini didistribusikan ke busi pada sistem pengapian. Power circuit merupakan sirkuit untuk menaikan tegangan battery 12 VDC menjadi 300 VAC sampai 400 VAC dengan frekwensi lebih kurang 3,5 kHz, kemudian dirubah menjadi 300VDC sampai 400 VDC setelah melalui
rangkaian diode (D). Timing D
Is
TRIAC
BAT
POWER CIRCUIT
C
INDUC. COIL HV
P
S
circuit, pulsa
merupakan sinyal
penguat
(signal
pulse)
yang dihasilkan oleh pulse TIMING CIRCUIT
pickup
atau
breaker
point
(kontak pemutus) dikirim untuk memicu triac. Gambar sistem pengapian CDI Triac berfungsi sebagai saklar elektronik akan bekerja apabila gate menerima signal pulse, sehingga akan terjadi hubungan singkat (close circuit). Capasitor tempat menampung muatan listrik yang akan dilepas ke induksi kumoaran primer(induction coil) saat terjadi hubungan singkat pada Triac 1, 2, 3). Kelemahan dan kelebihan bila dibandingkan dengan sistem pengapian terdahulu a. Motor mudah hidup dalam kondisi dingin 2, 4) b. Mampu membakar campuran udara-bahan bakar di atas 14,7:1 dengan baik, karena tegangan sangat tinggi pada saat kenaikan tegangan 1). c. Umur kontak pemutus (sebagai sensor) lebih panjang karena kontak pemutus tidak dialiri arus listrik yang besar 4). d. Waktu dibutuhkan untuk membangkitkan tegangan induksi pada bagian induksi kumoaran primerlebih cepat, drop-off pada putaran lebih tinggi 4). e. Waktu peningkatan tegangan dan lama penyalaan terlalu singkat 1, 3). ANALISA BAHASAN Syarat suatu proses pembakaran ada udara, bahan bakar dan energi pembakar dengan ratio yang sesuai. Apabila ketiga unsur tersebut tidak memenuhi rasio sesuai, maka akan terjadi gagal penyalaan. Dalam proses pembakaran motor bakar bensin perbandingan antara udara-bahan bakar (Air Fuel Ratio) dikenal dengan campuran sangat kurus (AFR = 18,5:1) dan campuran sangat kaya (AFR = 8:1), bila lebih atau kurang dari AFR tesebut maka tidak mudah terjadi pembakaran, sedangkan perbandingan udarabahan bakar yang dapat terbakar hampir sempurna apabila jumlah kira-kira
AFR = 14,7:1. ini disebut stoichiometric ratio dan sangat penting untuk kontrol emisi 1). Campuran udara-bahan bakar dapat terbakar setelah ada energi panas, sistem pengapian menghasilkan energi listrik, energi listrik ini akan berubah menjadi energi panas. Karateristik sistim pengapian pada berbagai macam sistem mempunyai perbedaan pada lama bunga api menyala, waktu peningkatan tegangan, energi listrik dihasilkan, tegangan sekunder dan drop-off tegangan terjadi, seperti pada tabel berikut: Tabel 1. Karateristik sistem penyalaan 2) System
Rise time µ sec
Arc duration µ sec
Energy mJ
Available Voltage &drop-off kV rpm
Convensional Various Delco-Remy
80 – 200 120
1.000 - 2.000 1.200
20 – 60 40
20-25 25
2.000 2.000
TAC Various Delco-Remy Special Delco-Remy
60 - 200 180 75
1.000 – 3.000 1.200 800
60 - 100 74 83
20 - 30 25 30
3.000 3.000 3.000
1 - 100 35 5
5 - 300 200 30 250 - 400
5 - 100 90 120 12
15 - 30 32 31 28
8.000 6.000
CDI Various Delco-Remy Special Delco-Remy Motorola
Pada sistem pengapian konvensional, pengoperasian pada putaran tinggi akan mengakibatkan CO tinggi, karena terjadi gagal pembakaran. Waktu kenaikan tegangan relatif panjang sehingga energi listrik dihasilkan belum mampu membakar campuran udara-bahan bakar secara keseluruhan, ini mengakibatkan terjadi pembakaran susulan setelah saat penyalaan (detonation) dan kecenderungan menghasilkan sisa bahan bakar berupa HC. Sistem pengapian TS dan TAC dapat dioperasikan pada putaran tinggi karena tegangan sekunder dihasilkan stabil dan pada putaran lebih tinggi akan mengalami gagal pembakaran yang akan meningkatkan CO. Waktu kenaikan tegangan tetap tidak dapat diperbaiki pada sistem ini. Untuk mengurangi CO dengan menurunkan AFR, dari kelemahan dua sistem pengapian ini. Perbandingan udara-bahan bakar (AFR) tidak dapat ditekan lebih jauh dari angka 14,7:1, hal ini akan mengakibatkan pembakaran awal sebelum saat penyalaan (preignition). Pembakaran yang tidak sempurna akan
mengakibatkan ruang bakar bertemperatur dan bertekanan tinggi akan menimbulkan Nox Sistem pengapian CDI, pada saat kenaikan tegangan relatif sangat singkat, sehingga, kemungkinan preignition tidak akan terjadi, namun lama penyalaan yang cukup singkat, ada kemungkinan akan terjadi detonansi (menghasilkan HC). Detonansi bisa dikurangi dengan menurunkan AFR (penurunan AFR akan memperkecil CO), karena sistem pengapian CDI mampu mengatasi preignition. Namun AFR kecil akan mengakibatkan ruang bakar bertemperatur tinggi sehingga motor banyak menghasilkan Nox Untuk menghasilkan tegangan sekunder relatif singkat, maka pada putaran sangat tinggi masih dapat membakar relatif sempurna bahan bakar. KESIMPULAN 1. Sistem pengapian konvensional cocok dioperasikan pada putaran rendah dengan meningkatkan AFR, maka dapat dioperasikan dengan beban yang besar. Emisi gas buang CO dan HC tinggi pada putaran rendah dan emisi gas buang akan lebih tinggi.pada saat putaran motor ditingkatkan. 2. Sistem pengapian TS dan TAC memperbaiki kelemahan sistem pengapian konvensional yaitu mampu dioperasikan pada putaran tinggi tertentu Emisi gas buang CO dan HC relatif stabil pada berbagai putaran motor. 3. Sistem pengapian CDI, AFR dapat ditekan, emisi gas buang CO dan HC relatif lebih kecil, jika bisa mengendalikan detonation, nilai HC akan mengecil, namun Nox tidak dapat dihindari karena AFR rendah mengakibatkan ruang bakar bertemperatur tinggi. SARAN 1. Komponen sistem pengapian konvensional khusus kontak pemutus harus selalu dijaga dalam kondisi baik, agar tidak memperburuk emisi gas buang. 2. Sistim pengapian TS dan TAC tidak terlalu dipengaruhi oleh kontak pemutus, namun sistim pengapian ini terdiri dari komponen transistor yang rentan terhadap tegangan kejut dihasilkan kumparan induksi,
tidak disarankan melepas rangkaian kabel tegangan tinggi. Tegangan bateri harus dijaga pada tegangan batas bawah dan atas diizinkan. 3. Sistem pengapian CDI lebih rentan dibandingkan dengan sistem pengapian TS dan TAC, karena total sikuit adalah semikonduktor yaitu pada power circuit, timing circuit dan triac. Triac dan kapasitor yang selalu menerima beban tegangan kejut, sering sekali mengalami kerusakan, sehingga sangat tidak disarankan melepas rangkaian kabel tegangan tinggi
DAFTAR PUSTAKA 1. Layne, Ken, Automotive Engine Performance, John Wiley and Sons, Canada, 1986. 2. Obert, Edward F., Internal Combustion Engines and Air Pollution, Harper & Row, Publisher, New york, 1973 3. Maleev, V.L., Internal Combustion Engine, Mc Graw Hill Book Company, Tokyo, 1983 4. Agus dan Wito, Pengapian Elektronik dengan CDI, Majalah Elektron, Volume 08 TH. 02, 1978 5. SPX Corporation, Digital Gas Emissions Analyzer
