PENINGKATAN KINERJA SISTEM PENGAPIAN PADA GASOLINE INTERNAL COMBUSTION ENGINES DENGAN MENGOPTIMALKAN ARC DURATION *) Ir. Rosehan, M.T.**) ABSTRACT Gas Emission is result of reaction of burning process a mixture of air-fuel in in combustion chamber, in order to perform a new dissosiative process. Gas emission may be quite dangerous to human being and its sorruounding environment. The burning process inside the combustion chamber depends on when, how long and the amount of energy triggered by the ignition system. This research presents such analysis based in extensive literatur review and laboratorium experiment. Keyword: Emission, ignition system
PENDAHULUAN Latar Belakang. Sistem pengapian yang baik adalah waktu peningkatan (rise time) tegangan tinggi yang sangat cepat, lama penyalaan bunga api (arc duration) yang cukup panjang untuk melaksanakan pembakaran campuran udara bahan bakar dengan sempurna dan menghasilkan emisi gas buang di bawah standar baku. Sistem pengapian akan terus berkembang dengan tujuan hampir sama yaitu: hemat bahan bakar, power optimum, emisi gas buang di bawah standar baku mutu. Banyak kendaraan bermotor konvensional yang seharusnya dapat menyumbangkan atau berperan seperti kendaraan bermotor modern, yaitu dengan cara memodifikasi sistem pengapian. Pada kendaraan bemotor konvensional dapat dilakukan modifikasi sistem pengapian standar pabrik dengan sistem pengapian yang sudah ada atau sistem pengapian yang belum pernah dicoba sama sekali. Tujuan Penelitian. Tujuan penelitian ini adalah untuk melihat besar pengaruh sistem pengapian dua kali lompat bunga api dengan sistem pengapian standar CDI, terhadap kinerja motor dan emisi gas buang. *) Merupakan ringkasan hasil penelitian yang dibiaya oleh Lembaga Penelitian UniversitasTarumanagara **) Staf pengajar Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Tarumanagara
KAJIAN PUSTAKA Motor bakar torak adalah mesin kalor dengan pembakaran dalam (Internal Combustion Engines) yang mengubah energi termal menjadi energi mekanis, diteruskan dari piston melalui batang penghubung (connecting rod) ke poros engkol. Motor bakar torak yang umum digunakan pada kendaraan bermotor terbagi menjadi dua yaitu; Spark Ignition atau SI Engines dan Compression Ignition atau CI Engines. Emisi Gas Buang. Motor otomobil 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. 1. Hydrocarbon (HC) Hasil pembakaran pada motor bensin pada otomobil memberikan kontribusi sebesar 60% dari yang dihasilkan oleh sebuah otomobil (Layne, 1986: 260.). Hydrocarbon dapat dikurangi dengan pembakaran sempurna. Bila motor membakar semua bahan bakar secara sempurna, tidak akan ada HC pada saluran buang, hanya uap air dan carbon dioxide (CO2) (Maleav, 1983: 77.). 2. Carbon monoxide (CO) Carbon monoxide diakibatkan oleh pembakaran yang tidak sempurna. Banyak CO yang dihasilkan tergantung pada bagaimana hydrocarbon bahan bakar dibakar. Bila campuran kaya, maka tidak cukup oxygen (O2) tersedia yang bersenyawa dengan carbon untuk membentuk CO2. Campuran udara-bahan bakar dimungkinkan sangat kurus sekali yang mengandung cukup oxygen untuk membentuk CO2 dengan tanpa menghasilkan CO. Pada kenyataan, pembentukan CO tidak dapat dihilangkan secara sempurna dari proses pembakaran di dalam motor (Layne, 1986: 261. dan Lichty, 1951: 149.). 3. Oxides of nitrogen (NOx) Temperatur dan tekanan tinggi dari pembakaran akan menghasikan 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 (Layne, 1986: 261.).
Sistem Pengapian. Sistem pengapian diperlukan untuk meyalakan campuran udara-bahan bakar pada pembakaran di motor bensin, macam-macam sistem pengapian antara lain: Sistem pengapian konvensional; Magneto ignition; Dual ignition; Sistem pengapian transistor assisted contacts (TAC); Sistem capacitive discharge ignition (CDI); Intelligent-dual and sequential ignition (i-DSI). Sistem capacitive discharge ignition (CDI) Tegangan yang dihantarkan ke kapasitor antara 300 Volt sampai 400 Volt berasal dari power circuit (Layne, 1986: 237. dan Agus dan Wito, 1978: 850.). Selama kapasitor diberi muatan, triac dalam kondisi hubungan terbuka (open circuit) untuk menjaga agar kapasitor tidak melepas muatan. Bila timing circuit mengirim signal pulse ke gate dari triac, maka terjadi hubungan tertutup (closed circuit), sehingga kapasitor melepas muatannya. Kapasitor melepas muatan bertegangan ke kumparan primer. Tegangan primer tiba-tiba meningkat dan arus menginduksi tegangan tinggi sekunder pada kumparan (coil). Tegangan sekunder (HV) ini didistribusikan ke busi pada sistem pengapian. Kapasitor melepas muatan bertegangan ke kumparan primer. Tegangan D
Is
C
TRIAC
BAT
POWER CIRCUIT
INDUC. COIL HV
P
meng-induksi tegangan tinggi sekunder pada
TIMING CIRCUIT
PULSE PICKUP
S
primer tiba-tiba meningkat dan arus kumparan
(coil).
Tegangan
sekunder (HV) ini didistribusikan ke GEAR TOOTH
busi pada sistem pengapian. Kelemahan dan kelebihan dibandingkan dengan
Gambar 1. Sistem CDI
sistem pengapian sebelumnya adalah:
1. Motor mudah hidup dalam kondisi dingin (Obert, 1973: 547.) 2. Mampu membakar campuran udara-bahan bakar AFR>14,7:1 dengan baik, karena tegangan sangat tinggi pada saat kenaikan tegangan (Layne, 1986: 238.). 3. Umur kontak pemutus (sebagai sensor) lebih panjang karena kontak pemutus tidak dialiri arus listrik yang besar (Agus dan Wito, 1978: 851.). 4. Waktu dibutuhkan untuk membangkitkan tegangan induksi pada bagian kumparan induksi primer lebih cepat, drop-off pada putaran lebih tinggi (Agus dan Wito, 1978: 851.). 5. Waktu peningkatan tegangan dan lama penyalaan sangat singkat (Layne, 1986: 238. dan Obert, 1973: 543.).
METODOLOGI PENELITIAN
Pembakaran. Pembakaran berlangsung selama
Secara
skematik
langkah-
0,003 sec secara konstan pada berba-gai
langkah penelitian dapat dilihat pada
putaran (Layne, 1986: 62.). Lama
gambar berikut ini:
pembakaran dapat dihitung sebagai berikut: t ig = t dg ×
1 60 × (detik) 360 n
1
Reduksi EGB, Daya, Torsi
Literatur, Majalah, Journal, Internet
Sistem Pengapian
Alternatif Sistem Pengapian Uji keandalan Sistem Pengapian
Syarat suatu proses pembakaran adalah
3000 Km
adanya udara, bahan bakar dan energi
Yes Motor bakar, Beban, alat ukur dan sistem pengapian
pembakar dengan rasio yang sesuai. Apabila
ketiga
unsur
tersebut
tidak
memenuhi rasio yang sesuai, maka akan
Pengujian EGB, Daya, Torsi
Putaran, Beban, AFR
terjadi gagal penyalaan atau pembakaran
Sistem Pengapian Putaran, Beban, AFR, Data EGB, Daya, Torsi
tidak sempurna, perbandingan udarabahan bakar yang dapat terbakar hampir
No
sempurna apabila jumlah AFR kira-kira sama
dengan
14,7:1.
Ini
Daya Poros.
IS 1, IS 2
No
Yes Literatur, Majalah, Journal, Internet
Pengolahan Data
Literatur, Majalah, Journal, Internet
Analisa Data
Besar daya poros itu adalah
Kesimpulan
(Arismunandar, 1980: 39.): Ne = Ni – (Ng + Na)
Put 1 - n Yes
disebut
stoichiometric ratio (Layne, 1986: 58.).
No
2
Gambar 2. Diagram Alir Penelitian
Daya poros dihitung dengan persamaan
Peralatan Uji.
sebagai berikut (Arends dan Berenschot,
1. Motor Otto Kijang 5K.
1992: 22.),
Tabel 1. Data Teknis Motor OTTO Kijang 5K
Ne = 2 . π . n . M
3
Atau; Ne = 2 . π . n . F. L Pemakaian Bahan Bakar Spesifik. Be = Gf
Ne
4
Spesifikasi: Pabrik pembuat Jenis Tipe motor Isi silinder Rasio kompresi Diameter silinder Langkah Torak Daya maksimum Torsi maksimum Sistem bahan bakar Bahan bakar
: Toyota Co LTD, Japan : Kijang 5K : 4 selinder 4 langkah : 1486 cc : 9,3 : 1 : 80,5 mm : 73,0 mm : 73 PS / 5000 min-1 : 11,3 kg.m / 2800 min-1 : Karburator : Bensin
2. Motor Otto Kijang 5K. Tabel 1. Data Teknis Motor OTTO Kijang 5K Spesifikasi: Pabrik pembuat Jenis Tipe motor Isi silinder Rasio kompresi Diameter silinder Langkah Torak Daya maksimum Torsi maksimum Sistem bahan bakar Bahan bakar
: Toyota Co LTD, Japan : Kijang 5K : 4 selinder 4 langkah : 1486 cc : 9,3 : 1 : 80,5 mm : 73,0 mm : 73 PS / 5000 min-1 : 11,3 kg.m / 2800 min-1 : Karburator : Bensin
Parameter dan Ditentukan. 1. Penentuan
Variabel
derajat
yang
penyalaan
pertama. Derajat penyalaan pertama pada
putaran
idle
800
min-1
ditentukan berdasarkan spesifikasi dari mesin tersebut, yaitu; 8 Penentuan
derajat
o
penyalaan
dilakukan menggunakan satu kali
3. Torsi-meter.
lompatan bunga api (sistem CDI
Tabel 2. Data Teknis Torsi-meter
konvensional).
Spesifikasi: Jenis Diameter disk Panjang lengan Pengatur beban Pengukuran beban Pembaca beban Pendingin disk
: Disk brake : 330 mm : 200 mm : Sistem hidrolik : Sistem hidrolik (dia. silinder 5/8”) : Pressure gauge : Air
2. Karakteristik
derajat
interval
sistem pengapian kedua Sistem adalah
pengapian
modifikasi
kedua
dari
sistem
pengapian CDI konvensional yang menerapkan lompatan bunga api
4. Sistem pengapian eksprimen.
dua kali dengan interval tertentu
Tabel 3. Data Teknis Sistem Pengapian
(Sistem
Dual
rangkaian
Spesifikasi: Jenis Tegangan Kapasitor Kapasitor Sensor Pengatur interval
: CDI (Capacitive Disch. Ignition) : 350 VDC : 0,68 µF/630 VDC : contact breaker : elektronik
CDI)
dapat
(gambar
dilihat
pada
lampiran). Derajat interval lompat bunga api yang pertama dan kedua
pengapian
perlu
untuk
diketahui, guna menganalisis lama pembakaran. Pengumpulan data
dilakukan pada simulator pengapian tanpa dilengkapi centrifugal advance dan vacuum advance. Simulator pengapian menggunakan motor listrik DC dengan kecepatan putar yang dapat diatur. 3. Penentuan derajat penyalaan kedua. Derajat interval penyalaan kedua pada berbagai kecepatan putar diperoleh dengan mengakumulasi derajat pengapian pertama dan derajat interval pengapian kedua.
PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA Data Penelitian terbagi dua yaitu; data diambil dari simulator pengapian dan motor otomobil. Data yang diambil dari simulator pengapian digunakan untuk mengetahui karakteristik penyalaan kedua dari sistem Dual CDI. Data yang diambil dari motor otomobil dengan sistem penyalaan CDI konvensional dan Dual CDI. Datadata ini digunakan menganalisis kinerja motor dan emisi gas buang. Pengolahan data menggunakan bantuan software Excel dan MathCAD. Data Karakteristik Derajat Interval Lompatan Bunga Api. Data diambil dengan menggunakan simulator pengapian untuk melihat karakteristik derajat interval lompatan bunga api antara bunga api yang pertama dan kedua. Pada saat eksprimen data derajat penyalaan yang diambil hanya lompatan bunga api kedua dari sistem Dual CDI, mengingat ketidak mampuan alat pendeteksi mengukur lompatan pertama dan kedua secara bersamaan. Lompatan bunga api pertama dari sistem Dual CDI konstan, karena simulator pengapian tidak dilengkapi centrifugal advance dan vacuum advance. Data derajat interval lompatan bunga api dilakukan sepuluh kali pengukuran. Hasil pengolahan data seperti berikut: Tabel 4. Karakteristik Derajat Interval Sistem Pengapian Dual CDI. Derajat interval lompatan bunga api kedua terhadap putaran Saklar 1 2 3 4 5
800 0 0 0 0 0,4
1100 0 0,2 0,5 0,8 1,3
1400 0,5 0,6 1,2 1,9 1,9
1700 0,9 1,2 1,8 2 2,5
2000 1,6 1,4 2 2,8 3,8
2300 1,7 2 3 3,9 4,7
2600 2,7 2,6 3,8 5,4 6,6
2900 2,4 2,9 4,5 5,7 7,9
3200 4,6 3,8 5,5 7,2 9,6
3500 5,1 5,4 5,9 9 11,6
Penentuan Derajat Penyalaan I. Penentuan derajat penyalaan I, berdasarkan spesifikasi dari pembuat yaitu 8o, pengaturan derajat ini dilakukan pada mesin menggunakan timing light. Data Penentuan Derajat Interval Penyalaan Kedua Sistem Dual CDI. Derajat interval penyalaan kedua memiliki lima saklar pilihan, data pada tabel 4. Hasil pengolahan data pada saklar 5 kenaikan derajat interval penyalaan cukup berarti yaitu 11o 36’ pada putaran 3500 min-1. Sehingga pada eksprimen ini dilakukan pada saklar 5. Data Prestasi Motor Otomobil dan Emisi Gas Buang Data eksprimen motor otomobil dengan pembebanan konstan, ekprimen dilaku kan uji emisi gas buang. Ekprimen motor otomobil terdiri dari dua kelompok yaitu; motor otomobil dengan sistem penyalaan CDI konvensional dan sistem penyalaan
Dual CDI. Data diambil sebanyak lima kali. Hasil pengolahan data seperti pada Tabel 5 dan 6 berikut: Tabel 5. Data Prestasi Mesin dan Emisi Gas Buang Sistem CDI Konv. Sistem pengapian : CDI Konvensional o -1 Derajat penyalaan : 8 BTC / 800min 2 Beban torsimeter (P) : 6 kg/cm Volume bahan bakar (Vl) : 50 ml No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
n min-1 1015,4 1351 1569,6 1962 2230,4 2515 2813,6 3118 3408
Motor Torsi-meter Penguji emisi
: Otto Toyoya Kijang 5K : Prony brake : Digital Gas Emissions Analyzer
tfuel (sec)
AFR
CO (%)
CO2 (%)
HC (ppm)
O2 (%)
Toil ( oC)
134,08 113,3 79,92 48,28 37,78 31,42 29,52 25,88 20,82
30 30 30 30 30 30 30 30 30
0,3 0,04 0,04 0,04 0,04 0,05 0,058 0,062 0,06
0,44 2,72 2,7 2,7 2,66 2,68 2,66 2,7 2,7
1745 519,4 547,6 561,4 576,8 523,6 587,2 527,8 584,6
20,8 20,74 20,7 20,7 20,74 20,74 20,78 20,72 20,76
72 75,6 79,8 83,6 84 88,2 90,4 94,4 95,2
Tabel 6. Data Prestasi Mesin dan Emisi Gas Buang Sistem Dual CDI Motor Torsi-meter Penguji emisi
Sistem pengapian : CDI Konvensional o -1 Derajat penyalaan : 8 BTC / 800min 2 Beban torsimeter (P) : 6 kg/cm Volume bahan bakar (Vl) : 50 ml No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
n min-1 1009 1370,2 1610,4 1976 2282,6 2566 2854,2 3187,8 3472,6
: Otto Toyoya Kijang 5K : Prony brake : Digital Gas Emissions Analyzer
tfuel (sec)
AFR
CO (%)
CO2 (%)
HC (ppm)
O2 (%)
Toil ( oC)
121,86 107,18 82,74 44,9 37,04 32,46 29,38 27,66 26,88
30 18,87 13,98 10,68 10,37 10,32 10,24 10,29 10,33
0,132 0,144 3,32 9,746 9,758 9,766 9,774 9,774 9,768
5,92 10 10,26 6,3 5,94 5,72 5,6 5,56 4,52
740,8 180,4 203,6 300,2 333,6 309,2 303,8 339,8 361,4
10,88 4,28 1,22 0,78 0,58 0,6 0,6 0,6 0,7
84,4 82 84 79,4 85,6 92,6 95,8 98 99,2
Analisa Model Regresi Pengolahan data lanjut dengan bantuan program MathCAD menggunakan regresi polynomial , dari data Tabel 4, 5 dan 6 diperoleh koefisien determinasi dan persamaan hubungan antara x dan y. Tabel 7. Data Prestasi Mesin dan Emisi Gas Buang Sistem CDI Konvensional dengan Analisa Model Regresi. Sistem pengapian : CDI Konvensional o -1 Derajat penyalaan : 8 BTC / 800min 2 Beban torsimeter : 6 kg/cm Volume bahan bakar : 50 ml n tfuel No. AFR (sec) min-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 R k
1000 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400
141,283 106,586 78,983 57,781 42,289 31,816 25,670 23,161 23,597 0,986 3
30 30 30 30 30 30 30 30 30 1 3
Motor Torsi-meter Penguji emisi CO (%)
CO2 (%)
0,283 0,119 0,033 0,006 0,019 0,049 0,077 0,082 0,045 0,881 3
0,611 2,009 2,742 2,983 2,905 2,681 2,483 2,484 2,857 0,866 3
: Otto Toyoya Kijang 5K : Prony brake : Digital Gas Emissions Analyzer HC O2 Toil (ppm) (%) ( oC) 1649,0 910,426 522,029 394,164 436,697 559,494 672,421 685,343 508,127 0,854 3
20,803 20,740 20,712 20,708 20,721 20,740 20,757 20,761 20,744 0,664 3
72,661 74,910 78,315 82,240 86,049 89,106 90,775 90,421 87,407 0,919 3
Tabel 8. Data Prestasi Mesin dan Emisi Gas Buang Sistem Dual CDI dengan Analisa Model Regresi Sistem pengapian : CDI Konvensional o -1 Derajat penyalaan : 8 BTC / 800min 2 Beban torsimeter : 6 kg/cm Volume bahan bakar : 50 ml n tfuel No. AFR (sec) min-1 1000 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400
127,997 102,490 79,704 60,139 44,298 32,68 25,790 24,127 28,193 0,971 3
27,760 21,590 16,601 12,793 10,164 8,717 8,450 9,363 11,458 0,927 3
CO (%)
CO2 (%)
0,257 1,646 3,628 5,865 8,020 9,757 10,737 10,624 9,082 0,750 3
0,611 2,537 4,859 7,253 9,395 10,96 11,630 11,070 8,963 0,6662 3
: Otto Toyoya Kijang 5K : Prony brake : Digital Gas Emissions Analyzer HC O2 Toil (ppm) (%) ( oC) 680,084 378,803 230,956 196,851 200,000 311,092 380,053 403,984 343,190 0,745 3
160 130
Poly. (CDI Konv.)
100
C D IK onv. D ualC D I P oly.(C D IK onv.) P oly.(D ualC D I)
24
Poly. (Dual CDI)
70
20 16
40 10 1000
12
1500
2000
2500
3000
8 1000
3500
Gambar 3. Grafik Waktu Dubutuhkan Vf terhadap Putaran
1500
12
9,5
10
C D IK onv.
5,5
D ualC D I 3,5
P oly.(C D IK onv.)
1,5
P oly.(D ualC D I)
-0,5 1000
1500
2000
2500
3000
8
4
1500
750 450
2000
2500
2500
3000
3500
Gambar 6. Garfik Kadar Carbon Dioxide terhadap Putaran
3000
3500
Putaran (rpm)
Gambar 7. Garfik Kadar Hydrocarbon terhadap Putaran
20
Kadar O2 (%)
CDI Konv. Dual CDI Poly. (CDI Konv.) Poly. (Dual CDI)
1500
2000
Putaran (rpm)
1650
150 1000
3500
2 0 1000
3500
Gambar 5. Grafik Kadar Carbon Monoxide terhadap Putaran
1050
3000
CDI Konv. Dual CDI Poly. (CDI Konv.) Poly. (Dual CDI)
6
Putaran (rpm )
1350
2500
Gambar 4. Grafik AFR terhadap Putaran.
11,5
7,5
2000
Putaran (rpm )
Kadar CO2 (%)
Kadar CO (%)
85,522 81,600 80,867 82,537 85,822 89,937 94,094 97,506 99,386 0,928 3
28
Dual CDI
Putaran (rpm)
Kadar HC (ppm)
10,840 5,433 2,157 0,534 0,092 0,356 0,850 1,101 0,634 0,986 3
32 CDI Konv.
AFR
Waktu dibutuhkan Vf (det)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 2 R k
Motor Torsi-meter Penguji emisi
16
CDI Konv. Dual CDI
12
Poly. (CDI Konv.)
8
Poly. (Dual CDI)
4 0 1000
1500
2000
2500
3000
3500
Putaran (rpm)
Gambar 8. Grafik Kadar Oxygen terhadap Putaran
12
Derajat penyalaan II (deg)
Temp.oil (deg C)
105 97
10
89 CDI Konv. Dual CDI Poly. (CDI Konv.) Poly. (Dual CDI)
81 73 65 1000
1500
2000
2500
Putaran (rpm)
3000
3500
8 6 4 S5 Poly. (S5)
2 0 1000
1500
2000
2500
3000
3500
Putaran (rpm)
Gambar 9. Grafik Temperatur Pelumas terhadap Putaran
Gambar 10. Grafik Derajat Interval Penyalaan II terhadap Putaran
Tabel 9. Karakteristik Derajat Interval Sistem Pengapian Dual CDI. Saklar 5
Derajat interval lompatan bunga api kedua terhadap putaran 1000 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400 0,893 1,568 2,387 3,365 4,515 5,852 7,389 9,14 11,119
2
R
0,998
Perhitungan Prestasi Motor Dari Tabel 7 dan 8, dapat dihitung jumlah pemakaian bahan bakar per-jam, daya efektip motor diukur dengan beban konstan pada berbagai putaran, dan pemakaian bahan bakar spesifik. Berikut hasil perhitungan dan grafik terhadap putaran: Tabel 10. Hasil Perhitungan Prestasi Mesin untuk Kedua Sistem Penyalaan CDI Konvensional tfuel (sec) 141,283 106,586 78,983 57,781 42,289 31,816 25,670 23,161 23,597
Gf (l/jam) 1,274 1,689 2,279 3,115 4,256 5,658 7,012 7,772 7,628
Be (l /kWjam)
Ne (kW) 2,485 3,23 3,976 4,721 5,467 6,212 6,957 7,703 8,448
0,513 0,523 0,573 0,66 0,779 0,911 1,008 1,009 0,903
tfuel (sec) 127,997 102,490 79,704 60,139 44,298 32,681 25,790 24,127 28,193
8,5
9,5
7
8
5,5 4
CDI Konv. Dual CDI Poly. (CDI Konv.) Poly. (Dual CDI)
6
2,5 1 1000
1500
2000
2500
3000
3500
Putaran (rpm)
Gambar 11. Grafik Jumlah Pemakaian Bahan Bakar Per-jam terhadap Putaran
Ne (l /HPjam)
Gf (l/jam)
Put (min-1) 1000 1300 1600 1900 2200 2500 2800 3100 3400
Dual CDI Gf (l/jam) 1,406 1,756 2,258 2,993 4,063 5,508 6,979 7,461 6,385
Ne (kW) 2,485 3,23 3,976 4,721 5,467 6,212 6,957 7,703 8,448
Be (l /kWjam) 0,566 0,544 0,568 0,634 0,743 0,887 1,003 0,969 0,756
6,5 5 3,5 2 1000
1500
2000
2500
3000
3500
Putaran (rpm)
Gambar 12. Grafik Daya Efektif Motor terhadap Putaran
Pembahasan Be (l/kW jam
1,15
1. Derajat penyalaan
1
Derajat
0,85 0,7
C D IK onv. D ualC D I P oly.(C D IK onv.) P oly.(D ualC D I)
0,55 0,4 1000
1500
2000
2500
3000
penyalaan
bervariasi
pada setiap putaran yang dipenga-
3500
Putaran (rpm )
ruhi oleh centrifugal advance dan vacuum advance. Perubahan dera-jat
Gambar 13. Grafik Pemakaian Bahan Bakar Spesifik terhadap Putaran
penyalaan
pengaruh
centrifugal
advance bergerak secara linier, sedangkan vacuum advance tidak linier
mengikuti tekanan venturi karburator. lihat Gambar 14 berikut: 40
Spark adv. (deg)
Spark adv. ( deg)
40 32 24 16
Centripugaladvance 8
Vacum advance
32 24 16
Centripugal advance I Vacum advance I
8 0
0 400
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200
Engine speed (rpm )
3600
4000
400
800
1200
1600
2000
2400
Centrifugal advance
2800
3200
3600
4000
Engine speed, rpm
Gambar 14. Grafik Pemajuan Penyalaan Pengaruh Centrifugal Advance dan Vacum Advance (Lichty, 1951: 349.)
Gambar 15. Grafik Pemajuan Penyalaan I dan II Pengaruh Centrifugal Advance dan Vacum Advance
Derajat penyalaan I pada putaran idle 800 min-1 diatur 8o BTC, putaran di atas 800 min-1 tidak dilakukan pengukuran derajat penyalaan, secara teoretik penyalaan ini dipercepat sampai 30o BTC pada putaran 3600 min-1, pemajuan derajat penyalaan dilakukan oleh centrifugal advance. Pemajuan derajat penyalaan oleh vacuum advance mencapai 36o pada putaran 2800 min-1. Derajat penyalaan kedua diatur keterlambatan dari derajat penyalaan I sebesar pada Tabel 9, sehingga derajat penyalaan I dan II dapat diilustrasikan pada grafik Gambar 15. Waktu antara penyalaan I dan II dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 1, seperti pada Tabel 11 berikut: Tabel 11. Waktu Antara Penyalaan I dan II terhadap Putaran tig (µsec)
1000 149
1300 201
1600 249
Putaran (min-1) 1900 2200 2500 295 342 390
2800 440
3100 491
3400 545
Lama penyalaan secara teoretik terjadi 0,003 sec, waktu antara terjadi pada penyalaan kedua terhadap penyalaan pertama masih berada di bawah lama penyalaan teoritik, sehingga penyalaan II tidak terjadi pada proses ekspansi. Jika
arc duration terjadi selama 250 µsec (Obert, 1973: 543.), maka penyalaan I dan II akan terjadi overlap atau tidak terjadi interval penyalaan pada putaran di bawah 1600 min-1, pada penyalaan di atas 1600 min-1 terjadi interval. 2. Pemakaian bahan bakar spesifik. Waktu yang dibutuhkan untuk Gf pada sistem penyalaan CDI konvensional dan Dual CDI dilihat dari grafik Gambar 3 relatif kecil perbedaannya, sehingga jumlah pemakaian bahan bakar per-jam dari kedua sistem penyalaan ini tidak jauh berbeda (lihat Tabel 7, Tabel 8 dan Gambar 11). Pada grafik terlihat pemakaian bahan bakar spesifik pada putaran kurang dari 1500 min-1 sistem penyalaan Dual CDI berada di atas pemakaian bahan bakar spesifik sistem penyalaan CDI konvensional. Pada putaran lebih dari 1500 min-1, spesifik pemakaian bahan bakar sistem penyalaan Dual CDI berada di bawah pemakaian bahan bakar spesifik sistem penyalaan CDI konvensional. Pemakaian bahan bakar spesifik akan terlihat perbedaan antara kedua sistem penyalaan dengan mentabulasikan selisih dari kedua pemakaian bahan bakar spesifik, seperti pada tabel berikut: Tabel 12. Perbedaan Pemakaian Bahan Bakar Spesifik antara CDI Konvensinal dan Dual CDI -1
Putaran min ∆ Be (l /kWjam)
1000
1300
1600
1900
2200
2500
2800
3100
3400
-0,053
-0,021
0,005
0,026
0,036
0,024
0,005
0,04
0,147
Dari Tabel 12 pemakaian bahan bakar spesifik pada putaran kurang dari 1600 min-1 pada penyalaan sistem Dual CDI lebih besar dari penyalaan sistem penyalaan CDI konvesional. Hal ini bila dilihat pada derajat penyalaan di bawah 1600 min-1 penyalaan I dan II masih overlap atau tidak tejadi interval, sehingga penyalaan I dan II seperti penyalaan tunggal. Pada putaran di atas 1600 min-1 pemakaian bahan bakar spesifik terjadi kenaikan dibandingkan dengan penyalaan I, hal ini dimungkinkan karena penyalaan I dan II sudah terjadi interval penyalaan. 3. Emisi gas buang. Hasil sisa pembakaran bahan bakar dalam ruang kompresi akan menghasilkan emisi gas buang. Emisi gas buang sangat dipengaruhi terhadap kesempurnaan. a. AFR. Pada sistem penyalaan CDI konvensional terlihat AFR = 30 konstan pada berbagai putaran. Ini diakibatkan energi pembakar tidak mencukupi (arc duration CDI relatif singkat) untuk membakar semua campuran udara bahan bakar sehingga tebentuk HC dan sisa O2 yang tinggi. Hasil pembakaran sempurna
terlihat CO sangat rendah sekali (lihat Gambar 5 Tabel 7). Sistem penyalaan Dual CDI pada putaran 1000 min-1, AFR mulai bergeser mengecil menjadi AFR: 27,76 hingga AFR: 8,45 (Gambar 4 dan Tabel 7). AFR mengindikasikan campuran kaya pada putaran lebih dari 1750 min-1. Campuran kaya diakibatkan oleh sisa HC yang tidak tebakar secara sempurna dikarenakan kekurangan O2 pada saat penyalaan II (Gambar 8 dan Tabel 8). b. Hydrocarbon Pada penyalaan I HC dihasilkan relatip tinggi, karena Arc duration yang sangat singkat, sehingga terlihat pada Tabel 3 dan Gambar 7, HC tertinggi 1649 ppm dan terendah 394,164 ppm. Kemampuan penyalaan II membakar secara maksimum HC hasil penyalaan I cukup tinggi, yaitu HC direduksi lebih 50%. Pada Gambar 7, HC bergerak paralel lebih kecil dari sistem penyalaan CDI konvensional dan pada Tabel 8, HC dihasilkan tertinggi 680,084 ppm, terendah 196,851 ppm. Sistem penyalaan Dual CDI mempunyai kemampuan mereduksi 50% HC dibandingkan dengan CDI konvensional, sisa HC setelah penyalaan II dapat diasumsikan sementara diakibatkan faktor kondisi mesin, seperti telah dijelas sebelumnya. c. Carbon monoxide dan carbon dioxide Dikarenakan oksigen berlebihan di atas 20% (lihat Tabel 5 dan Gambar 8), maka carbon monoxide terbentuk dari pengikatan C dan O2 serta sebagian CO terikat dengan O2, mengakibatkan CO menjadi rendah yaitu antara 0,006% sampai dengan 0,881%. Hasil reaksi sebagian CO dengan O2 akan membentuk CO2, pada sistem penyalaan I CO2 berkisar antara 0,611% sampai 2,983% (lihat Tabel 5 dan Gambar 6). Pembakaran tahap kedua dari sistem penyalaan Dual CDI dibatasi ketersedian O2 sisa pembakaran tahap I, sehingga nilai O2 paling kritis berada pada putaran 2200 min-1 yaitu 0.092%, HC tersedia 200 ppm pada putaran yang sama tidak dapat terbakar habis. Pada putaran meningkat, CO dan CO2 naik seirama, hal ini dimungkinkan karena O2 tersedia dari sisa pembakaran tahap pertama tidak cukup, terlihat O2 berada di bawah 1% setelah putaran di atas 2200 min-1. Pada Gambar 4 grafik AFR menunjukan kekurangan oksigen sehingga menjadi campuran kaya. d. Temperatur pelumas Pada penyalaan II temperatur pelumas mengalami kenaikan dapat diakibatkan blow by gases dari ruang pembakaran melalui celah ring piston.
Temperatur minyak pelumas dapat mengindikasikan temperatur ruang bakar. Dilihat dari perbedaan cukup berarti pada putaran rendah dan tinggi (Gambar 9.), temperatur minyak pelumas pada sistem penyalaan Dual CDI berada di atas CDI konvensional. Bila pada sistem penyalaan CDI konvensional sudah menghasilkan NOx, maka pada sistem penyalaan Dual CDI NOx terbentuk akan lebih banyak daripada sistem penyalaan CDI konvensional. KESIMPULAN 1. Derajat Interval penyalaan Dual CDI terlalu kecil, maka proses pembakaran sedikit berbeda dibandingkan dengan sistem penyalaan CDI konvensional, karena pada priode setelah penyalaan dan pemben-tukan nyala api dilanjutkan dengan perambatan nyala api. Sedangkan derajat interval kecil waktu perambatan nyala api sangat kecil atau tidak ada pembakaran kedua pada penyalaan pertama. 2. Sistem penyalaan Dual CDI dengan interval terus membesar mengakibatkan penyalaan kedua mendekati TMA, sehingga terjadi pembakaran tidak sempurna pada tahap II. 3. Pemakaian bahan bakar spesifik Dual CDI lebih kecil dibandingkan dengan CDI konvensional pada pembebanan yang sama. SARAN 1. Perlu diteliti lagi sistem penyalaan yang sama , di mana penyalaan I, II berimpit dan interval konstan kurang dari 2,5o, dapat dilihat dari grafik emisi gas buang dan Gambar Grafik Pemakaian Bahan Bakar Spesifik. 2. Pada penyalaan dengan Dual CDI kekurangan O2 mulai pada putaran 1600 min-1, sehingga perlu diteliti proses pembakaran dengan pengkayaan O2. 3. Pengaruh reaksi pembakaran kedua pada setiap penyalaan perlu diteliti dengan penyalaan multi spark ignition. 4. Mereduksi
temperatur
pembakaran
dan
NOx,
dapat
diteliti
dengan
menginjeksikan uap air kedalam campuran udara bahan bakar. DAFTAR PUSTAKA 1. Agus dan Wito. 1978. Pengapian elektronik dengan CDI, Majalah Elektron, Volume 08 TH. 02, hal. 848 – 851 2. Arends BPM dan Berenschot H. 1992. Motor bensin, terjemahan Umar Sukrisno. Jakarta: Penerbit Erlangga. 3. Arismunandar Wiranto.1980. Motor bakar torak. Bandung: Penerbit ITB. 4. Heldt, P.M. 1956. High-speed combustion engines. Philadelphia: Pchilton Company.
5. Hollembebeak, Barry. 1997. Automotive electricity & electronics, Second edition. New York Delmar Publishers. 6. Jacobs, Christopher. 1999. Performeance ignition system. New York: The Berkley, Publishing Group. 7. Layne, Ken. 1986. Automotive engine performance. Canada: John Wiley and Sons. 8. Lichty, Lester C. 1951. Internal combustion engine. Tokyo: Mc Graw Hill Book Company. 9. Maleev, V.L. 1983. Internal combustion engine. Tokyo: Mc Graw Hill Book Company. 10. Obert, Edward F. 1973. Internal combustion engines and air pollution. New york: Harper & Row, Publisher. 11. Pulkrabek, Willard W. 1997. Engineering fundamentals of the internal Combustion Engine. New Jersey:Prentice-Hall, Inc. 12. Resko, Boy Sasongko. 1982. Pengapian elektronik dengan CDI, Majalah Elektron, Volume 21 TH. VI, hal. 2124 – 2126. 13. SPX Corporation, Digital Gas Emissions Analyzer. 14. Zoelis. 2003. Pembakaran akurat bensin hemat Tabloid Otomotif, No. 11/XII Senin 21 Juli, hal. 30. DAFTAR SIMBOL A AFR Be BTC Gf k n L Na Ne Ng Ni M R2 tf tdg tig TMA TMB Toil VAC VDC Vf
Luas penampang silinder hidrolik beban Air-fuel ratio Pemakaian bahan bakar Spesifik Before Top Center Jumlah bahan bakar digunakan Derajat polynomial Putaran Jarak antara titik putar poros dengan beban Daya aksesori Daya poros berguna atau daya efektif Daya gesek Daya indikator Momen putar Koefisien determinasi Waktu yang dibutuhkan untuk Vf Waktu pembakaran dalam derajat engkol Waktu pembakaran Titik Mati Atas Titik Mati Bawah Temperatur minyak pelumas Volt Alternate Current Volt Direct Current Volume bahan bakar digunakan
cm2 l /kWjam l/jam min-1 m kW kW kW kW Nm sec deg µsec o
C
ml
LAMPIRAN .047 mF/400V
300K
330K .47mF 33
100
10K
630V
200 IN4007
100n
1K8 1K
NE 555
20K 2 x 220
IN4001
100n
4K7
BC 178
2 x 100mF/25V
BC 107
2 x IN4001 2 x 86
2.2 100
115n
100n
68n
86n
100n
53n
100n 2K
BC 107 100
100
100
100
100
100 100 100
BAT +
_ CB
C+
C
_
Gambar 16. Rangkaian Sistem Penyalaan Dual CDI.
5K
