simulation of closed loop distributorless digital with

1st APTECS 2009, ISSN 2086-1931
1
SIMULATION OF CLOSED LOOP DISTRIBUTORLESS
DIGITAL WITH SOFTWARE PROTEUS 62.S4
Liza Rusdiyana1)
Bambang Sampurno2)
1) Postgraduated student of Mechanical Engineering Department, Faculty of Industrial Technology
ITS Surabaya Indonesia 60111, email:[email protected]
2) Department of Mechanical Engineering, Faculty of Industrial Technology
ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]
Distributorless digital ignition system is
expected toanticipate potential problems and shortages
caused by the conventional distributor ignition system
and weaknesses in distributorless analog. To obtain a
description of the performance of the sysytem is done
by using computersimulation software Proteus 6.2
sp4. Simulation test is conducted to know the time
delay, the degree ignition before top dead center
(BTDC). Simulation produced a variabel with the time
between cycles and the delay before top dead center
(BTDC).
Simulation results show the greater the
vehicle rounds the time delay small. Whereas before
top dead center (BTDC) the greater. This trend shows
the system in accordance with the ignition system
needs.
Keywords : Distributorless digital, Proteus 62.S4,
Round, time delay, BTDC.
I. PENDAHULUAN
Umumnya kendaraan roda empat masih
menggunakan komponen distributor sebagai pembagi
tegangan sekunder coil pengapian yang selanjutnya
disalurkan ke busi pada silinder yang membutuhkan.
Sistem ini relatif sederhana karena menggunakan
komponen mekanis untuk mengatur waktu pengapian.
Namun sistem ini memiliki beberapa permasalahan
diantaranya kerusakan permanen pada platina dan
kapasitor akibat dialiri arus yang cukup besar, keausan
pada komponen bergerak (moving parts), kerusakan
pada komponen vacuum advancer dan rute pengapian
yang relatif panjang.
Beberapa produsen kendaraan telah mengeluarkan
varian diantaranya Mitsubishi Eterna DOHC ECI
Multi (1990), Suzuki Baleno (1997), Daihatsu Taruna
EFI (2000) dan Hyundai Atoz (2005) yang telah
menggunakan sistem pengapian dengan meniadakan
komponen distributor (distributorless) atau dikenal
dengan direct igntion. Sistem distributorless yang
dikembangkan pada kendaraan diatas menggunakan
sistem Distributorless Dual Ignition System (waste
spark) dengan menggunakan sensor putaran dan
kemudian dikoreksi timing pengapiannya dengan
power ignitor analog. Namun sistem distributorless
yang dikembangkan oleh beberapa kendaraan diatas
disamping belum terbagi secara independen (masingmasing busi) juga merupakan sistem black box yang
sulit bahkan tidak bisa diakses oleh pengguna
(programer), sehingga tidak mudah melakukan
pemeliharaan. Akibatnya sistem distributorless
tersebut harus di reset bahkan harus diganti jika
mengalami gangguan. Pengesetan atau penggantian
distributorless merupakan solusi yang membutuhkan
biaya mahal. Disamping itu, para konsumen
kendaraan terus menerus mengalami ketergantungan
teknologi.
Mengacu pada permasalahan distributor dan
distributorless analog, maka dalam makalah ini
dipaparkan sistem closed loop distributorless digital
multipurpose terbaru yang menggunakan teknologi
digital yang dapat diprogram dan dapat diterapkan
pada berbagai kendaraan. Sistem ini disamping untuk
memperbaiki proses pembakaran juga diharapkan
mempermudah konsumen dalam pemeliharaan
sekaligus mengurangi ketergantungan pada produsen
kendaraan
II. DASAR TEORI
Pada sistem pengapian konvensional, komponen
distributor digunakan sebagai pembagi tegangan
sekunder dari coil pengapian yang selanjutnya
disalurkan ke busi.
Untuk
mengantisipasi
kelemahan
sistem
distributor, beberapa kendaraan telah menerapkan
sistem distributorless. Sistem distributorless yang
dikembangkan menggunakan sistem Distributorless
Dual Ignition System (Waste Spark) dengan sensor
putaran dan kemudian dikoreksi timing pengapiannya
dengan power ignitor analog . Pada Gambar 2 terlihat
pada sistem dual ignition, pengapian secara bersamaan
diterapkan pada dua silinder yang berpasangan
(keduanya pada posisi beberapa derajad sebelum
TDC), dimana satu silinder pada posisi yang
membutuhkan dan silinder pasangannya pada posisi
tidak membutuhkan. Oleh karena pengapian dibuang
pada satu silinder yang tidak membutuhkan, maka
sistem ini dikenal dengan istilah waste spark ignition.
Namun sistem distributorless diatas merupakan sistem
black box yang sulit bahkan tidak bisa diakses oleh
pengguna (programer), sehingga tidak mudah
melakukan perbaikan jika terjadi kerusakan.
Gambar : 2. Diagram Distributorless Dual Ignition System
(waste spark).
1st APTECS 2009, ISSN 2086-1931
Beberapa peneliti juga melakukan studi
maupun merancang sistem distributorless analog
maupun digital, diantaranya Mircea and Dumitru
(2007) yang mempelajari sistem distributorless
waste ignition, dimana diperoleh hasil kurva
tegangan primer dan sekunder sebagaimana
Gambar 3. Terlihat bahwa pada saat terjadi
pembakaran (waktu 5 ms), tegangan primer
sekitar 360 volt sedangkan tegangan sekunder
coil mencapai -36 kV. Dari grafik terlihat
tegangan sekunder coil mengalami harga negatif,
disebabkan karena arus yang mengalir dari
ground ke elektroda. Beberapa kendaraan telah
menggunakan pembalikan tegangan karena dapat
mengurangi panas di elektroda.
Primer
Sekunder
Gambar : 3. Grafik tegangan primer dan sekunder terhadap
waktu
Sementara itu Sampurno B (2007) telah merancang
prototipe system distributorless digital multi purpose
sesuai dengan kebutuhan sistem pengapian. Sistem ini
menggunakan hall sensor tipe KA8940 dan
mikrokontroller AN4006. Hasil pengujian tegangan
primer dan tegangan skunder distributorless digital
tersebut memiliki kemampuan dalam menstabilkan
tegangan primer dan skunder pada berbagai putaran
dan mampu menghasilkan time delay dan derajad
BTDC yang mendekati kebutuhan kendaraan. Namun
sistem tersebut menggunakan mikrokontroller yang
sulit dilakukan penyesuaian dengan kendaraan roda
empat lainnya.
Sementara Muzni M dan Sampurno B (2008) telah
memperbaiki sistem distributorless digital yang
melalui redisain rangkaian elektronik dengan
menggunakan mikrokontroler AT89S51 sebagaimana
Gambar 4. Sistem ini lebih mempermudah dalam
penyesuaian dan pemograman pada berbagai
kendaraan.
2
Gambar 4. Rangkaian Elektronika Distributorless
Digital Multipurpose System
dengan Mikrokontroler AT89S51
III. METODE
Tahap awal dilakukan kajian literatur dan produk
yang berkaitan dengan distributor dan distributorless
untuk memperoleh karakteristik, dimensi dan
persoalan nyata dari sistem tersebut. Dari hasil kajian
diperoleh kelemahan sistem distributor dan
distributorless analog sehingga diperlukan teknologi
baru untuk mengantisipasi kompleksitas sinyal,
kelemahan pada sistem analog dan kemudahan dalam
pemeliharaan.
Pengujian performance DDMS meliputi time
delay, derajat BTDC, tegangan primer dan skunder.
Untuk pengujian BTDC dibutuhkan timing light dan
tachometer seperti terlihat pada Gambar 5. Putaran
motor divariasikan dari 1000 rpm sampai dengan 5000
rpm (seperti simulasi komputer) kemudian dilihat
derajat BTDC. Mengacu pada kendaraan toyota
(kijang) pada saat 1000 rpm diawali dengan 8o BTDC,
sedangkan kendaraan Daihatsu diawali dengan 10o
BTDC. Sementara itu, untuk pengujian time delay
dibutuhkan osciloscope yang memiliki spesifikasi
tinggi yaitu minimal 100 Mega, agar mampu
menangkap sinyal time delay secara sempurna.
Adapun rangkaian pengujian time delay seperti terlihat
pada Gambar 6, dimana putaran juga divariasikan dari
1000 rpm sampai dengan 5000 rpm. Demikian pula
dengan tegangan primer dan skunder coil, juga diukur
pada variasi putaran yang sama dengan pengujian
derajat BTDC dan time delay.
Gambar 5. Metode pengujian Derajad BTDC terhadap
putaran mesin
1st APTECS 2009, ISSN 2086-1931
Gambar 6. Metode pengujian time delay terhadap
putaran mesin
IV. Hasil Penelitian
Rangkaian elektronika sistem Distributorless
Digital Ignition Multi Purpose disimulasikan dengan
software proteus 62.S4 yang mengunakan komponenkomponen elektronik serta instrument lainnya. Sistem
dirancang dengan empat pasang sistem masukan
dengan menggunakan transistor NPN yang dipasang
dengan jumlah ganda, pengaman tegangan negative
dengan menggunakan diode, serta pada sisi keluaran
menggunakan penguat darlington dalam IC ULN2003
yang di bantu dengan pengaman optoisolator seperti
terlihat pada Gambar 7.
Osiloskop digunakan sebagai penampil sinyal yang
dikeluarkan oleh mikrokontroler, sementara itu volt
meter digunakan sebagai pemantau tegangan.
Kebutuhan power supply dalam sistm ini adalah 5V
dan 12V. Tegangan 5V digunakan untuk mensupply
jenis komponen digital sepeti mikrokontroler dan
beberapa komponen pendukung lain seperti transistor
dan opto isolator. Sementara itu tegangan 12V
digunakan sebagai supply sistem daya yaitu penguat
transistor dalam IC ULN2003. IC ULN2003 adalah
sejumlah transistor yang dikonfigurasi secara
darlington sehingga menghasilkan daya yang besar
dengan arus bias yang kecil, atau dengan kata lain
menghasilkan gain (penguatan) yang tinggi.
Gambar 7. Rangkaian Elektronika Distributoless
Digital Multipurpose System (DDMS)
Mikrokontroler
yang
digunakan
adalah
mikrokontroler produksi ATMEL dengan seri
3
ATMEGA16. Mikrokontroler ini adalah seri dari
keluarga mikrokontroler AVR yang memiliki sifat
high speed, dengan kecepatan sampai 16MIPS (Mega
Instruction Per Second). Dengan menggunakan
mikrokontroler ini, nantinya sistem pengapian dapat
dikontrol dengan menggunakan sistem pewaktuan
yang tepat. Sedangkan Transistor 2N2222 yang
dipasang 2 buah secara seri digunakan sebagai
pengubah tegangan analog dan tegangan sinus menjasi
pulsa-pulsa
yang
mampu
dibaca
oleh
mikrokrokontroler. Saat terdapat tegangan pada sisi
masukan lebih dari 0.7 V maka transistor ini akan
berada pada posisi ON, sehingga kaki Emitor dan
Kolektor akan terhubung, dan mengakibatkan output
transistor menjadi 0V atau berlogika Low. Degan
adanya kondisi ini, maka transisot berikutnya akan
berada pada posisi Off, atau kaki Emitor dan Kolektor
tidak terhubung, dan kondisi ini akan mengakibatkan
keluaran transistor kedua akan berlogika high, atau
mendekati Vcc karena adanya Pull up resistor.
Pada sisi masukan analog yang lain, yaitu masukan
ADC mikrokontroler (Analog to digital Converter),
dipasang dua buah diode yang berfungsi untuk
memblokir adanya tegangan negative. Tegangan
masukan analog nantinya akan diubah oleh
mikrokontroler menjadi data digital dengan
menggunakan vitur ADC yang dimiliki oleh
mikrokontroler. Sedangkan pada sisi keluaran
mikrokontroler digunakan untuk mengendalikan
sistem pengapian, untuk itu dibutuhkan driver atau
penguat daya. Sistem ini menggunakan 2 buah
komponen penting yaitu IC 4N25 dan IC ULN2003.
4N25 adalah IC opto isolator yang digunakan untuk
mengisolasi tegangan 5V dan tegangan kerja 12V. IC
ULN2003 digunakan sebagai penguat darlington.
Pemodelan sistem pengapian dari rangkaian
elektronika yang di simulasikan komputer merupakan
hasil yang digunakan dalam pengembangan produk.
Pengujian yang dilakukan dengan mengsimulasikan
sehingga diperoleh hasil pengujian berupa sinyal yang
keluar dari osiloskop (lihat Gambar 8) dan grafik time
delay terhadap putaran mesin (lihat Gambar 9). Pada
Gambar 8 terlihat sinyal berbentuk pulsa (sinyal
blanking) yang keluar dari rangkaian mikroprosesor
sebagai sinyal waktu tunda (time delay). Sedangkan
pada Gambar 9 dengan memperhatikan perbandingan
jumlah sinyal frekuensi input dan output dari
rangkaian elektronika yang merupakan representasi
dari 1000 (rpm) pada putaran awal dimana waktu
pengapian busi (frekuensi pengapian) T = 1/(rps/2)
untuk satu busi, rps = 1000/60 = 16.7 Hz, rps setara
dengan Hz, sehingga melalui perhitungan sederhana
diperoleh waktu tunda (time delay) T = 4/(16.7/2) =
4.79 (ms), selanjutnya untuk 4 busi sinyal tersebut
pada putaran 2500 (rpm) menghasilkan rps = 2500/60
= 41.6 Hz. Dari hasil tersebut kemudian dilakukan
perhitungan waktu tunda (time delay) T = 4/(rps/2) =
4/(41.6/2) = 1.9 ms.
1st APTECS 2009, ISSN 2086-1931
4
Gambar 8. Hasil simulasi DDMS
Dari Gambar 9 terlihat bahwa dengan
bertambahnya putaran mesin maka terjadi penurunan
waktu tunda, hal ini menunjukkan bahwa semakin
cepat laju kendaraan maka semakin cepat pula waktu
yang dibutuhkan untuk proses penyalaan busi dalam
ruang silinder. Sementara itu hasil simulasi derajad
BTDC sebagaimana Gambar 6. Terlihat bahwa pada
putaran mesin 1000 rpm awal penyalaan diperoleh 8o
BTDC yang berdasarkan referensi dari Toyota Kijang.
Semakin tinggi putaran mesin waktu yang dibutuhkan
untuk proses penyalaan campuran udara dan bahan
bakar juga semakin cepat sehingga derajat pengapiann
juga semakin jauh dari titik mati atas (TDC).
Waktu (ms)
Time Delay
6
4
2
0
0
2000
4000
6000
Putaran (rpm)
Gambar 5. Grafik Time Delay terhadap putaran mesin
Advance ° BTDC
Derajat BTDC
40
20
0
0
2000
4000
6000
Putaran (rpm)
Gambar 6. Grafik derajat BTDC terhadap putaran
mesin
IV. KESIMPULAN
Dari hasil rancangan rangkaian elektronika simulasi
komputer, penelitian yang menghasilkan prototipe
Closed Loop Distributoless Digital Ignition Multi
Purpose dapat disimpulkan bahwa:
1. Waktu tunda dan derajad pengapian dapat
disesuaikan dengan kebutuhan kendaraan,
sehingga sistem ini dapat digunakan pada
berbagai kendaraan (multi purpose).
2. Arus primer dan tegangan primer coil yang
dihasilkan lebih besar sekitar 30 (mAmper)
untuk arus primer dan 590 (Volt) untuk tegangan
coil, dibandingkan dengan hasil dari sistem
Distributor.
3. Arus sekunder dan tegangan sekunder coil yang
dihasilkan lebih besar sekitar 6 (Amper) untuk
arus primer dan 59 (kVolt) untuk kumparan
sekunder coil, dibandingkan dengan sistem
Distributor.
4. Waktu pengapian lebih tepat dan singkat,
sehingga proses pembakaran bahan bakar-udara
menjadi lebih sempurna dan kualitas emisi gas
buang pada kendaraan dapat ditingkatkan.
V. DAFTAR PUSTAKA
1.
Kristanto Philip, 2003, “Pengaruh Alduterasi
Bahan Bakar Gasolin-Kerosene Terhadap Emisi
Gas Buang dan Performa Motor”, Universitas
Kristen Petra, Surabaya
2. Mircea dan Dumitru, 2007, ”The Study Of The
Ignition To The Automotive Spice Simulation”,
Interdisciplinarity In Engineering Scientific
International
Conference,
TG.
MURESRomania., 2 – 5.
3. Sampurno B dkk 2007, ”Rancang Bangun Sistem
Distributorless Digital Multi Purpose” Laporan
hasil penelitian DIPA ITS Surabaya.
4. Sampurno B, Hadi S dkk 2009 “Application of
Digitalized Distributorless Ignition System to
Provide Stable High Voltage” The 15th Asia
Pasific Automotive Engineering Conference
October 26-28, 2009, Hanoi, Vietnam.
5. Sutantra, I. N, 2001, ” Teknologi Otomotif Teori
dan Aplikasinya”, Guna Widya Surabaya.
6. Willa,
Lukas,
2007,
”Teknik
Digital,
Mikroprosesor & Mikrokontroler”,
Penerbit
Informatika, Bandung
7. Lawson Doug, 2007, “Static Ignition Timing –
General”, diakses pada hari Selasa, 11 Mei 2010
pukul 11.10 WIB
8. http://aksesorismobil.com/detiltips.php?uid=34,
Tabloid Otomotif, diakses pada hari Senin, 10
Mei 2010 pukul 14.15 WIB
9. http://kendaraan.info/v4/special-661-KatalitikKonverter,-Agar-Lingkungan-Kita-TetepTerjaga.html diakses pada hari Kamis, 20 Mei
2010 pukul 11.10 WIB
10. www.belitoyota.com/2010/04/kijang
-innovaberstandar-emisi-euro2.html diakses pada hari
Kamis, 20 Mei 2010 pukul 11.15 WIB
-innova11. www.belitoyota.com/2010/04/kijang
satu-busi-satu-koil-makin-mantap.html
diakses
pada hari Kamis, 20 Mei 2010 pukul 11.20 WIB