BAB II DASAR TEORI

BAB II
DASAR TEORI
2.1
Dasar Kerja Motor Empat Langkah
Motor empat langkah ialah motor yang setiap siklus kerjanya diselesaikan dalam
empat kali gerak bolak-balik langkah piston atau dua kali putaran poros engkol
(crankshaft). Langkah piston adalah gerak piston tertinggi, disebut titik mati atas
(TMA) sampai yang terendah di sebut titik mati bawah (TMB). Sedangkan siklus kerja
ialah rangkaian proses yang dilakukan oleh gerak bolak balik piston yang membentuk
rangkaian siklus tertutup.[1]
Proses siklus motor empat langkah dilakukan oleh gerak piston dalam silinder
tertutup, yang bersesuaian dengan pengaturan gerak kerja katup isap dan katup buang di
setiap langkah kerjanya. Proses yang terjadi meliputi langkah isap, langkah kompresi,
langkah kerja, dan langkah buang. Lebih jelasnya dapat di uraikan sebagai berikut:
a) Langkah Hisap
Langkah ini bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB)
dengan katup masuk terbuka dan katup buang tertutup.gerakan ini meningkatkan
volume di dalam ruang bakar, dimana secara berurutan akan menciptakan tekanan
vakum. Karena tekanan vakum ini lah,udara dari luar dapat masuk kedalam ruang bakar
5
http://digilib.mercubuana.ac.id/
6
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
secara alamiah karena tekanan mengalir dari tinggi ke rendah. Ketika udara
mengalir melalui sisitem pemasukan, bahan bakar ditambahkan dengan besaran tertentu
dengan menggunakan sistem injeksi.
Ketika piston bergerak ke atas dan mendekati 28º sebelum TMA, sebagai ukuran
dari putaran crankshaft, camshaft lobe mulai mengangkat cam follower. Hal ini
menyebabkan pushrod untuk bergerak ke atas dan menggunakan rocker arm. Ketika hal
ini terjadi, rocker arm menekan katup masuk kebawah sehingga katup tersebut mulai
terbuka. Langkah hisap mulai terjadi ketika katup buang masih terbuka. Aliran daripada
gas buang akan menciptakan tekanan rendah di dalam ruang bakar dan akan membantu
menarik udara dari luar.
Piston kemudian melanjutkan gerakannya hingga mencapai TMA ketika udara
masuk dan gas buang keluar. Pada 12º setelah TMA, camshaft exhaust lobe mulai
berputar sehingga katup buang akan tertutup. Katup ini akan tertutup penuh pada 23º
setelah TMA. Hal ini dilakukan melalui per katup, dimana akan tertekan ketika katup
akan terbuka,memaksa rocker arm dan cam follower melawan gerakan cam lobe ketika
berputar. Jarak waktu ketika kedua katup terbuka secara bersamaan disebut valve
overlap dan hal ini dibutuhkan agar udara dari luar membantu membersihkan gas buang
yang masih tertinggal diruang bakar hingga habis dan membantu mendinginkan silinder
piston. Pada kebanyakan mesin, 30-50 kali dari volume silinder yang dibuang dari
ruang bakar ketika overlap terjadi. Udara dingin yang berlebihan ini juga menciptakan
efek pendinginan terhadap beberapa bagian mesin.
Ketika piston sudah melewati TMA dan mulai untuk bergerak ke bawah dari
lubang silinder, pergerakan ini menciptakan daya sedot dan kemudian menarik udara ke
dalam silinder.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
7
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
b) Langkah Kompresi
Ketika piston mencapai TMB, katup masuk tertutup dan piston kembali bergerak
menuju TMA dengan seluruh katup tertutup. Hal ini menghasilkan kompresi terhadap
campuran bahan-bahan bakar, sehingga meningkatkan tekanan dan temperatur di dalam
ruang bakar. Ketika hampir mencapai akhir daripada langkah kompresi, busi akan
menyala dan menginisiasi terjadinya pembakaran.
Tekanan meningkat berdasarkan rasio kompresi daripada motor bakar itu
sendiri, yaitu rasio antara volume silinder penuh ketika piston berada di luar daripada
langkahnya dengan volume sisa ketika piston berada di TMA. Rasio kompresi motor
bakar bensin biasanya berkisar antara 6-9 dan tekanan pada ujung kompresi sekitar 620827.4 kgf/m2.
c) Langkah Kerja/Tenaga
Dengan seluruh katup tertutup, tekanan tinggi tercipta dengan proses
pembakaran yang mendorong piston menjauh dari TMA. Ini adalah langkah yang
menghasilkan kerja dari siklus mesin. Ketika piston bergerak dari TMA ke TMB,
volume silinder bertambah,menyebabkan tekanan dan temperatur menurun drastis.
Kemudian piston kembali bergerak ke TMA akibat momentum dari pada flywheel, dan
mendorong seluruh gas sisa pembakaran keluar melalui katup buang dan
silencer/muffler. Dari hal ini terlihat bahwa hanya terdapat satu langkah kerja untuk 4
langkah piston, atau setiap 2 revolusi dari crankshaft, 3 langkah lainnya sering disebut
sebagai langkah idle, dimana langkah ini membentuk suatu bagian yang tidak
terpisahkan dari suatu siklus.
Pembakaran dari campuran udara-bahan bakar muncul hanya dalam periode
waktu yang sangat cepat tetapi dengan batasan waktu tertentu ketika piston mendekat ke
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
8
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
TMA. Hal ini dimulai ketika langkah kompresi mendekati akhir sedikit sebelum TMA
dan terus berlangsung hingga tercipta langkah kerja sedikit setelah TMA.Pembakaran
merubah komposisi dari campuran gas buang sisa pembakaran dan meningkatkan
temperatur pada silinder secara drastis ke angka tertingginya. Sehingga secara tidak
langsung tekanan di dalam silinder juga akan mencapai titik tertingginya secara
bergantian.
Tepat sebelum langkah kompresi selesai, percikan api dari loncatan listrik akan
memicu terjadinya pembakaran yang menyebabkan meningkatnya tekanan dan
temperatur di dalam silinder. Pembakaran selesai ketika piston berhenti dan diikuti
dengan ekspansi daripada gas panas. Tekanan daripada gas tersebut menggerakkan
piston dan memutar crankshaft sehingga kendaraan dapat bergerak melawan hambatan
luar dan mengembalikan momentum flywheel yang hilang ketika langkah idle. Tekanan
akan menurun ketika volume bertambah.
d) Langkah Buang
Ketika piston bergerak mendekati 480 TMB, cam lobe dari katup buang mulai
mendorong cam follower ke atas dan menyebabkan katup buang terbuka. Kemudian gas
buang mulai mengalir ke luar yang disebabkan karena tekanan silinder dan menuju ke
exhaust manifold. Setelah melalui TMB,piston kemudian bergerak keatas dan memiliki
akselerasi maksimal sekitar 630 sebelum TMA. Dari titik ini piston akan mengalami
perlambatan,dan ketika kecepatan piston menurun, kecepatan dari gas buang keluar dari
silinder akan menciptakan tekanan sedikit di atas tekanan atmosfir. Pada 280 sebelum
TMA, katup masuk terbuka dan siklus akan berjalan kembali.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
9
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Langkah pembuangan menyelesaikan proses pembakaran. Pembukaan setiap
silinder dalam suatu mesin. Siklus pembakaran akan terus berulang pada kecepatan
yang sangat tinggi selama mesin terus berjalan (Wahyu Hidayat,2012).[1]
Gambar 2.1 Prinsip Kerja Motor Empat Langkah
( Sumber: Toyota training center, 2008 )
2.2
Batas Nyala (Flamebility Limits)
Nyala dapat menjalar melalui campuran gas hanya pada satu batasan komposisi
tertentu. Meskipun pada pemakaian praktis sering disebutkan bahwa gas atau uap dari
metane, propane dan acetone adalah senyawa yang dapat terbakar (flameable), namun
campurannya dengan udara hanya akan terbaca jika komposisi campuran bahan bakar
berada pada suatu batasan tertentu, yaitu Batas Nyala Bawah (Lower Flamebility
Limits) dan Batas Nyala Atas (Upper Flamebility Limits).
Batas nyala dapat ditentukan secara penelitian dari hasil uji emisi kendaraan
pada nilai kadar CO dan nilai kadar CO2. Atau bisa dengan eksperimental dengan
memasukkan campuran kedalam sebuah reaktor (tube) dan menyalakannya dengan busi
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
10
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
(spark). Api hanya akan menjalar sepanjang reaktor pada batasan bawah dan atas dari
suatu perbandingan campuran.
Kebutuhan untuk mengukur secara lebih akurat nilai batas nyala suatu campuran
telah mendorong disusunnya suatu metode baru dalam mengukur batas nyala. Metode
ini tidak berdasarkan penjalaran nyala (flame propagation) sebagai kriteria flamebility,
tetapi berdasarkan peningkatan tekanan didalam suatu bejana berbentuk bola. Bejana ini
dilengkapi indikator tekanan yang sangat sensitif.(Frank Kreith,1997)
2.2.1 Diagram Nyala Api
Berdasarkan data hasil pengujian, selanjutnya dapat disusun diagram
flammability dari suatu campuran hydrocarbon, oksigen dan nitrogen, seperti pada
gambar dibawah.
Gambar 2.2 Diagram Nyala Api untuk CH4, O2 dan N2 pada 1 atm 26 oC
( Sumber: Josep E. Shepherd, USA, 2000 )
Dari Gambar diatas terlihat bahwa garis CA yang menunjukkan garis udara
(21% O2 dan 79% N2) akan memotong kurva batas nyala CH4 pada dua titik, yaitu 5%
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
11
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
(sebagai batas bawah) dan 15% (sebagai batas atas) untuk campuran metane dengan
udara. Campuran metane dengan oksigen murni (N2 = 0), ditunjukkan dengan garis CO.
Memotong kurva pada dua titik, masing-masing 5% (batas bawah) dan 60% (batas
atas).
2.2.2 Pengaruh Tekanan dan Geometri Terhadap Batas Nyala
Pada umumnya batas bawah akan meningkat sementara batas atas menurun jika
tekanan dikurangi hingga dibawah tekanan atmosfer. Karena laju perubahannya kecil
pada tekanan disekitar tekanan atmosfer, maka batas nyala dari suatu campuran bahan
bakar udara ditentukan pada tekanan 1 atmosfer. Geometri dari alat ukur juga akan
mempengaruhi batas nyala pada alat ukur yang berukuran kecil. Pada sistem yang
mengalir, kalor dari sumber penyalaan akan dikonversikan, sehingga dapat mengurangi
batas nyala.
Gambar 2.3 Diagram Batas Nyala dari Volume dari H2, CO dan CH4 di Udara dengan
Berbagai Variasi CO2 dan N2.
( Sumber: Josep E. Shepherd, USA, 2000 )
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
12
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Gambar 2.4 Batas Nyala dari Volume dari C2H6, C2H4, dan C6H6, di
Udara dengan Berbagai Variasi CO2 dan N2.
( Sumber: Josep E. Shepherd, USA, 2000 )
Gambar 2.5 Diagram Batas nyala dari Volume dari CH4, CO, dan H2, di Udara
dikombinasikan dengan H2O, C3H8 dan C4H10 dengan berbagai variasi CO2 dan N2.
( Sumber: Josep E. Shepherd, USA, 2000 )
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
13
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
2.2.3 Perhitungan Batas Nyala Suatu Campuran[9]
Batas nyala atau flamebility Limits dari suatu komposisi yang bervariasi dapat
dihitung dengan mempergunakan persamaan Le Chatelier dengan data dari gambar
sebelumnya.
Flamebility Limits =
100%
a  b  c  ...
A
B
C
Dengan:
a, b, c...: proporsi dari masing-masing senyawa penyusun campuran gas dalam prosen
volume [% volume]
A, B, C, ...: Batas nyala masing-masing senyawa, diperoleh dari Gambar 2.3, 2.4 dan
2.5
Persamaan diatas dapat dipergunakan untuk:
• Menentukan apakah suatu gas dapat terbakar (Flameable).
• Mengestimasikan Batas Nyala Atas dan Batas Nyala Bawah suatu gas.
2.3
Tekanan Terhadap Volume Silinder
Dari tiap-tiap langkah piston dan setiap proses yang terjadi didalam silinder
dapat menyebabkan perubahan tekanan dan volume. Dalam uraian akan dibahas
hubungan posisi piston dengan tekanan yang terjadi,dinyatakan dalam diagram tekanan
terhadap volume atau diagram P-V. Dapat ditunjukkan pada awal langkah isap tekanan
didalam silinder sama dengan tekanan udara luar ( atmosfir ). Selama langkah isap
tekanan didalam silinder lebih rendah dari tekanan atmosfir. Pada akhir langkah isap
tekanan naik kembali, karena sifat kelembaban udara yang masuk kedalam silinder.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
14
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Selama langkah kompresi tekanan dan temperatur, campuran udara dan bahan
bakar makin naik. Beberapa saat sebelum piston mencapai titik mati atas (TMA),
campuran bahan bakar dan udara dinyalakan, mendadak tekanan dan temperaturnaik,
dan selanjutnya terjadi pengembangan gas (ekspansi); dimana gas bertekanan tinggi
mendorong piston dan tekanannya semakin turun. Beberapa saat sebelum titik mati
bawah, katup buang dibuka sehingga tekanan semakin turun atau lebih rendah. Pada
saat piston berada di TMB, tekanan gas masih lebih tinggi dari tekanan atmosfir,tetapi
gas ini akhirnya didorong keluar oleh piston pada tekanan sedikit lebih tinggi dari
tekanan atmosfir. Pada saat piston mencapai TMA kembali terjadi peristiwa katup isap
dan katup buangterbuka bersamaan, atau disebut overlap katup. Satu siklus telah selesai
dalam empat langakah piston. Proses berikutnya dimulai dengan langkah pengisapan
kembali, dan begitu seterusnya, proses kerja mesin berlangsung selama operasi kerja.
Gambar 2.6 Diagram Tekanan Terhadap Volume Langkah Piston
( Sumber: Arends, Motor Bensin, 1994 )
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
15
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
2.3.1 Volume Silinder(Arends & Barenschot,1994)
Volume silinder ialah besarnya volume langkah ( piston displacement )
ditambah volume ruang bakar. Volume langkah dihitung dari volume diatas piston saat
posisi piston di TMB sampai garis TMA. Sedangkan volume ruang bakar dihitung
volume diatas piston saat posisi piston berada di TMA, juga disebut volume sisa.
Besarnya volume langkah atau isi langkah piston adalah luas lingkaran dikalikan
panjang piston, dengan persamaan:
= /4 .
. L
Volume atau isi silinder adalah sebesar, dinyatakan :
Vt = VL + Vs
Dimana, VL = Volume Langkah ( cc )
D = Diameter Silinder ( cm )
L = Panjang Langkah Piston ( cm )
Vt = Volume total atau isi silinder ( cc )
Vs = Volume sisa atau Volume ruang bakar (cc )
Besarnya diameter silinder dan langkah piston akan mempengaruhi kemampuan
kerja motor dan dapat digunakan untuk menentukan kategori dan jenis motor atau mesin
tersebut yaitu, bila perbandingan antara besarnya diameter piston terhadap panjang
langkah piston sebagai berikut :
D < L dikategorikan mesin langkah panjang ( long stroke engine ) adalah jenis motor
kecepatan rendah.
D = L
dikategorikan mesin langkah sedang ( square engine ) adalah jenis motor
kecepatan sedang.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
16
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
D > L dikategorikan mesin langkah pendek ( over square engine ) adalah jenis motor
kecepatan tinggi.
2.3.2 Perbandingan Kompresi
Perbandingan kompresi ialah perbandingan antara volume silinder dan volume
ruang bakar atau ruang kompresi; dinyatakan :
r = VL + Vt/Vs = Vt/Vs
atau
r = VL/Vs + 1
dimana r = perbandingan kompresi.
Jika perbandingan kompresi dari suatu motor bahan bakar piston tinggi, hal ini
akan berpengaruh terhadap tekanan hasil dari proses pembakaran didalam silinder. Oleh
karena itu untuk mempertinggi efisiensi kerja motor dapat dilakukan dengan cara
menaikkan perbandingan kompresinya. Batasan perbandingan kompresi untuk motor
bensin lebih rendah daripada motor diesel. Hal ini disebabkan pada motor bensin saat
langkah kompresi yang dikompresikan adalah campuran bensin dan udara. Maka
besarnya perbandingan kompresi motor bensin harus dibatasi tidak boleh terlalu tinggi,
karena dapat mengakibatkan terjadinya detonasi yaitu penyalaan sendiri sebelum
waktunya atau busi belum dinyalakan. Perbandingan kompresi motor bensin hanya
berkisar antara 6 : 1 sampai 12 : 1. Sedangkan untuk motor diesel perbandingan lebih
tinggi, antara 13 : 1 sampai 24 : 1. Perbandingan kompresi efektif ialah perbandingan
antara volume silinder saat awal kompresi dengan volume silinder saat awal
pembakaran.[2]
2.3.3 Efisiensi Volumetrik Silinder
Efisiensi volumetrik dipakai untuk menjabarkan jumlah bahan bakar atau udara
didalam silinder dalam rangkaian udara atmosfer. Jika silinder dipenuhi udara dan
bahan bakar sesuai tekanan atmosferik, maka mesin dapat dikatakan memiliki 100%
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
17
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
efisiensi. Semakin tinggi prosentasi efisiensi mesin, otomatis semakin besar
kemampuan mesin menghasilkan tenaga. Secara teoritis jumlah campuran bensin dan
udara yang masuk kedalam silinder sama dengan volume langkahnya. Akan tetapi
kenyataannya tidak sama karena dipengaruhi beberapa faktor antara lain tekanan udara,
temperatur, panjang saluran,dan sisa gas pembakaran di dalam silinder pada proses yang
mendahului. Efisiensi Volumetrik dapat dinyatakan ;
ηvol = Vi/VL x 100% dimana,
Vi = Volume campuran bensin dan udara (cc)
VL = Volume langkah piston (cc )
Semakin banyak campuran baru yang masuk didalam silinder, semakin besar tenaga
yang dihasilkan mesin atau tekanan tinggi dari pembakaran.[2]
2.4
Pengaturan Kerja Katup Isap Dan Katup Buang
Katup isap dan katup buang ialah terjadinya pembukaan dan penutupan katup-
katup secara teoritis pada piston berada dititik matinya. Namun pada kenyataannya
dibuat suatu penyimpangan; hal ini diperlukan untuk mengimbangi kecepatan putar
motor agar dapat bekerja tetap efektif. Demikian pula dengan penyalaan, dibuat lebih
awal atau menjelang akhir kompresi; jadi bukan saat piston tepat TMA. Untuk
menjelaskan kerja mekanik katup-katup digunakan diagram pengaturan pembukaan dan
penutupan katup yang dipadukan terhadap derajat sudut poros engkol. Dua putaran
poros engkol diilustrasikan sebagai busur A-B-C-D-Y-X. Titik X menyatakan sikap
poros engkol saat piston berada di TMA. Busur A-X-B-D-Y menunjukkan lintasan
poros engkol tiap siklus.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
18
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Gambar 2.7 Diagram Kerja Mekanik Katup
( Sumber: Arends, Motor Bensin, 1996 )
Katup isap dibuka saat piston hampir mencapai TMA atau poros engkol pada
titik A. Katup isap tertutup beberapa saat setelah piston mencapai TMB, yakni saat
poros engkol berada dititik B. Proses kompresi dimulai pada titik B,penyalaan pada
titik C. Putaran pertama setelah melakukan langkah pengisian, kompresi dan penyalaan.
Demikian pula dengan katup buang
bekerja dibuat beberapa saat sebelum piston
mencapai TMB dan ditutup beberapa saat sesudah piston mencapai TMA. Dari diagram
tersebut ternyata bahwa kedua katup pernah terbuka bersamaan, yaitu saat katup buang
akan menutup dan katup isap akan membuka maksimal, sebesar sudut AOD. Sudut
tersebut dinamakan sudut impitan katup, dan yang lebih dikenal dengan valve overlap.
Sudut impitan katup ( Overlap ) diperlukan untuk membantu pembilasan atau
pembersihan gas sisa pembakaran yang masih tersisa didalam ruang bakar dan
membantu pengisian lebih awal agar maksimal.[3]
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
2.5
Dasar Sistem Injeksi Bahan Bakar
Pada mobil dengan penginjeksian bahan bakar secara elektrik atau yang biasa
kita kenal dengan EFI (Elektronic Fuel Injection), penyemprotan bahan bakar diatur
oleh komputer. Komputer ini mengontrol jumlah bahan bakar yang di semprotkan
secara lebih akurat daripada sistem karburator.Sehingga dengan sistem penyemprotan
bahan bakar secara injeksi mempunyai keuntungan diantaranya; menghasilkan emisi gas
buang yang lebih bersih, konsumsi bahan bakar lebih hemat, mobil akan menghasilkan
tenaga dan torsi lebih besar pada RPM rendah serta penyaluran bahan bakar menjadi
optimal.
Pada mesin EFI, bensin diinjeksikan kedalam ruang pembakaran dikontrol
secara elektronik oleh ECU (Elektronic Control Unit) untuk mengatur campuran ideal
antara bahan bakar dan udara sesuai dengan kondisi dan beban putaran mesin. Prinsip
kerja EFI dimana jumlah aliran atau massa udara yang masuk kedalam silinder melalui
intake manifold diukur oleh sensor aliran udara (air flow sensor)kemudian di
informasikan ke ECU (Elektronic Control Unit) selanjutnya ECU menentukan jumlah
bahan bakar yang harus masuk ke dalam silinder mesin. Idealnya untuk setiap 14,7
gram udara masuk diinjeksikan 1 gram bensin, dan di sesuaikan dengan kondisi panas
mesin dan udara sekitar serta beban kendaraan.[2]
Bensin dengan tekanan tertentu (2-4 kali tekanan dalam sistem karburator) telah
dibangun oleh pompa bensin dalam sistem dan siap di injeksikan melalui injektor
elektronik. ECU akan mengatur lama pembukaan injektor, sehingga bensin yang masuk
kedalam intake manifold melalui injektor telah terukur jumlahnya. Bensin dan udara
akan bercampur di dalam intake manifold dan masuk kedalam silinder pada saat
langkah pemasukan. Campuran ideal siap dibakar. Kemudian, mengapa campuran
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
bensin dan udara harus di kendalikan? Kalau tidak di kendalikan, akan menimbulkan
beberapa kerugian diantaranya konsumsi bahan bakar boros,pembakaran tidak
sempurna, akibatnya emisi gas buang berlebihan dan tenaga tidak optimal karena energi
kinetis yang dihasilkan pun tidak maksimal. Dengan sistem EFI ini maka jumlah bahan
bakar diatur dan dikontrol lebih akurat oleh komputer dengan mengirimkan bahan
bakarnya ke silinder melalui injektor.
Gambar 2.8 Skema Sistem EFI
( Sumber: Astra Toyota, Training Center, 2008 )
Sistem EFI menentukan jumlah bahan bakar yang optimal atau tepat disesuaikan
dengan jumlah dan temperatur udara yang masuk, kecepatan mesin, temperatur air
pendingin, posisi katup throtle, pengembunan oksigen didalam exhaust pipe.
Selanjutnya percampuran atau hubungan lebih akrab terjadi di dalam mesin. Injektor
yang digunakan untuk menyemprot bensin dipasang di saluran hisap dan hasil
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
21
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
semprotannya diarahkan ke deket katup hisap. Agar bensin bisa di injeksi dengan
tekanan kuat sehingga terbentuk pengabutan,digunakanlah pompa tekanan tinggi.
2.5.1 Sistem Dasar EFI ( Electronic Fuel Injection )
Sistem EFI ini menggunakan berbagai sensor untuk mendeteksi kondisi mesin
dan kondisi pengendaraan mobil. Selanjutnya ECU mesin akan mengalkulasi volume
penyemprotan bahan bakar optimal, yang kemudian memerintahkan injektor untuk
menyemprotkan bahan bakar.
Gambar 2.9 Skema Dasar mesin EFI
( Sumber: vvti.toyota )[3]
2.5.2 Komponen Dasar EFI
Setiap jenis dan model mobil Avanza saat ini berbeda dari desainnya,tetapi sama
pada komponen-komponen di sistem EFI nya[4],antara lain :
a) ECU ( Electronik Control Unit )
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
22
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Pusat pengolahan data kondisi penggunaan mesin, mendapat masukan atau input
dari sensor-sensor pengolahnya, kemudian memberi keluaran atau output setiap
saat dan jumlah injeksi, atau saat pengapian.
b) Fuel Pump
Mengalirkan dan mensuplai bahan bakar dengan menghasilkan tekanan yang
siap disemprotkan atau diinjeksikan.
c) Pressure Regulator
Mengatur kondisi tekanan bahan bakar agar selalu tetap atau stabil.
d) Temperatur Sensor
Memberi masukan ke ECU ( Electronik Control Unit ) kondisi temperatur
mesin, jika kondisi mesin masih dingin membutuhkan bahan bakar lebih banyak.
e) Inlet Air Temperatur Sensor
Memberi masukan ke ECU mengenai kondisi temperatur udara yang akan
masuk ke mesin, udara dingin O2 lebih padat membutuhkan bahan bakar lebih
banyak.
f) Inlet Air Pressure Sensor
Memberi masukan ke ECU kondisi tekanan udara yang akan masuk ke mesin,
udara bertekanan O2 lebih padat, membutuhkan bahan bakar lebih banyak.
Atmospheric pressure sensor memberi masukan ke ECU kondisi tekanan udara
lingkungan sekitar kendaraan, pada dataran rendah, O2 lebih padat.
g) Crankshaft Sensor
Memberi masukan ke ECU posisi dan kecepatan putaran mesin,putaran tinggi
membutuhkan buka injektor yang lebih cepat.
h) Camshaft Sensor
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
23
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Memberi masukan ke ECU posisi langkah mesin,hanya langkah hisap yang
membutuhkan buka injektor.
i) Throttle Sensor
Memberi masukan ke ECU posisi dan besarnya bukaan aliran udara,bukaan
besar membutuhkan buka injektor yang lebih lama.
j) Injector
Gerbang akhir dari BBM yang bertekanan,fungsi utama menyemprotkan bahan
bakar kedalam mesin,membuka dan menutup berdasarkan perintah dari ECU.
2.5.3 Keunggulan Sistem EFI
Sistem
EFI
memang
lebih
unggul
dibandingkan
dengan
sisrem
karburator,karena dengan sistem EFI dapat menyesuaikan takaran BBM sesuai
kebutuhan mesin standar. ECU di program untuk kondisi mesin standar sesuai model
kendaraan. Di dalam ECU terdapat tabel bahan bakar yang akan dikirim melalui
injektor sesuai kondisi mesin standar.Untuk mesin modifikasi memerlukan modifikasi
tabel dalam ECU, hal ini dapat dilakukan dengan :
1. Software yang dapat masuk kedalam memori ECU hanya dimiliki oleh
ATPM atau dealer.
2. Piggyback alat tambahan di luar ECU, bekerja dengan cara memanipulasi
sinyal yang dikirim ke injektor untuk membuka lebih lama.
ECU ( Electronic Control Unit ) yang merupakan otak bekerjanya
engine,membaca besaran-besaran non listrik yang ada (aliaran udara masuk, temperatur
udara masuk, temperatur engine, throttle position, gas buang ) yang sebelumnya diolah
sensor menjadi sinyal lisrik (tegangan listrik, arus listrik dan hambatan listrik). Baik
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
24
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
karburator ( kontrol sistem mekanis ) atau EFI ( kontrol sistem elektrik ) sama-sama
menginginkan agar tercapai angka “ perbandingan udara dan bahan bakar “ ( Air Fuel
Ratio ) yang ideal. Tentunya yang dibandingkan adalah massa udara dan massa bahan
bakar. Perbedaan yang ada dengan sistem EFI ialah pada sistem EFI besar-besaran
fisika atau kimia yang mempengaruhi besarnya udara yaitu MAP ( Manifold Absolut
Pressure ), MAF ( Mass Air Flow ), Karman Vortex merupakan sensor utama pada
mesin EFI, diolah oleh sensor untuk di jadikan besaran listrik menjadi besaran tegangan
dengan satuan Volt. Agar semprotan bahan bakar bisa lebih banyak / gemuk atau sedikit
/ kurus, maka dapat di manipulasi keluaran sensor-sensor tadi sebelum di teruskan ke
ECU.[2]
2.5.4 Aliran Bahan Bakar Sistem EFI
Bahan bakar atau bensin dihisap oleh pompa yang selanjutnyabensin di
injeksikan atau disemprotkan kedalam ruang silinder mesin. Pengapian dinyalakan
secara terpisah dan selanjutnya terjadi proses pembakaran dan pengembangan gas
didalam ruang bakar atau silinder. Akhirnya menghasilkan tenaga mekanik mesin.
Didalam sistem EFI ini terdapat sistem induksi udara yang diperlukan untuk proses
pembakaran. Sisitem ini terdiri atas : air cleaner, air flow meter, throttle body dan air
valve.[2]
a) Throttle Body
Throttle body terdiri atas : throttle valve, yang mengatur volume udara
masuk selama mesin bekerja normal dan saluran bypass yang mengalirkan
udara selama mesin berputar. Throttle position sensor juga dipasang pada
poros throttle valve untuk mendeteksi sudut pembukaan katup throttle.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
25
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
b) Katup Udara
Katup udara berfungsi untuk mengatur putaran idle pada saat mesin
masih dingin. Pada umumnya katup udara yang digunakan pada sistem EFI
terdapat dua type yaitu type bi-metal dan type wax.
-
Tipe Bi-Metal
Katup udara yang digunakan untuk putaran fast idle berfungsi untuk
menambah putaran mesin sewaktu mesin masih dingin. Apabila
mesin dihidupkan dalam keadaan dingin, gate valve terbuka,
akibatnya udara dari intake air connector pipe mengalir ke intake air
chamber.
-
Tipe Wax
Katup udara tipe wax terpasang pada throttle body, terdiri atas
throttle valve, gate valve, pegas A dan pegas B. Thermo valve di isi
dengan thermo wax yang akan mengembang dan mengkerut sesuai
dengan perubahan temperatur air pendingin.
c) Air Intake Chamber dan Intake Manifold
Udara yang mengalir kedalam intake manifold terputus-putus sehingga
terjadi
getaran
pada
udara
yang
masuk.
Getaran
tersebut
akan
mengakibatkan measuring plate yang ada di dalam air flow meter menjadi
vibrasi, memungkinkan pengukuran volume udara kurang akurat. Oleh
karena itu diperlukan air intake chamber yang mempunyai kapasitas yang
besar untuk meredam getaran udara.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
26
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
2.5.5 Sistem Kontrol Elektronik
Sistem kontrol elektronik terdiri dari beberapa sensor seperti air flow meter,
water temperatur sensor, throttle position sensor, air temperatur sensor, dan oxsigen
sensor. Pada sistem ini terdapat ECU yang mengatur lamanya kerja injektor. Padasistem
ini juga terdapat komponen lain seperti : main relay, yang mensuplai tegangan ke ECU,
start injector time switch yang mengatur kerja cold start injctor selama mesin dingin,
circuit opening relay yang mengatur kerja pompa bahan bakar dan resistor yang
menstabilkan kerja injektor.[3]
a) Air Flow Meter
Air flow meter terdiri atas : measuring plate, return spring,dan potensio
meter. Udara yang masuk melalui air flow meter membuka measuring plate
yang di tahan oleh return spring.
b) Manifold Pressure Sensor
Manifod pressure sensor ( vacum sensor ) bekerja berdasarkan tekanan
dalam intake manifold. Tekanan yang sebenarnya tersebut sebanding dengan
udara yang di alirkan ke dalam intake manifold dalam satu siklus. Volume
udara yang masuk dapat ditentukan dengan mengukur tekanan intake
manifold. Selanjutnya tekanan intake manifold disensor oleh silicon chip
yang berfungsi mengubah tekanan kedalam bentuk nilai tahanan, kemudian
dideteksi secara elektrikal oleh IC yang ada dalam sensor[11].
c) Sensor Posisi Throttle
Sensor posisi throttle dipasang jadi satu dengan throttle body. Sensor ini
mengubah sudut membukanya throttle menjadi tegangan dan mengirimkan
ke ECU. Signal yang dikeluarkan oleh throttle position sensor adadua yaitu
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
27
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
signal IDL dan signal PSW. Signal IDL digunakan untuk menghentikan
aliran bahan bakar dan signal PSW untuk menambah injeksi bahan bakar.
d) Sensor Temperatur Air
Pada sensor temperatur air terdapat thermister yang berfungsi untuk
mendeteksi temperatur air pendingin. Apabila temperatur mesin masih
rendah pengupan bensin juga rendah sehingga di perlukan campuran yang
gemuk. Tahanan yang rendah sehingga signal tegangan yang di hasilkan
THW akan tinggi, thermister besar pada saat suhu air pendingin masih.
e) Sensor Temperatur Udara Masuk
Sensor temperatur udara masuk mendeteksi suhu udara yang masuk.
Sensor tersebut dilengkapi dengan thermister dan di letakkan didalam air
flow meter.
f) Signal Pengapian Mesin
Dalam menentukan saat pengapian dan putaran mesin, ECU memerlukan
masukan dari signal pengapian mesin. Signal tersebut untuk mengalkulasi
penentuan awal volume bahan bakar yang di injeksikan dan penghentian
bahan bakar. Apabila tegangan pada terminal negatif ignition coil mencapai
atau melebihi 150 volt, ECU akan mendeteksi signal tersebut.
g) Signal Starter
Signal starter di gunakan apabila poros engkol mesin diputar oleh motor
starter. Selama poros engkol berputar, aliran udara lambat dan suhu udara
rendah sehingga penguapan bahan bakar tidak baik ( campuran kurus ).
Untuk meningkatkan kemampuan start mesin diperlukan campuran yang
kaya. Signal starter berfungsi untuk menambah volume injeksi selama mesin
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
28
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
distarter. Tegangan signal startersama dengan tegangan yang digunakan pada
motor starter.
h) Relay Utama EFI
Relay utama digunakan sebagai sumber tegangan untuk ECU dan circuit
opening relay. Relay tersebut berfungsi untuk mencegah penurunan tegangan
dalam sirkuit ECU. Apabila kunci kontak ON, arus akan mengalir ke relay,
titik kontak akan berhubungan dan arus akan mengalir dari baterai melalui
kedua fusible link ke ECU dan circuit opening relay selanjutnya ke pompa
bahan bakar[10].
i) Sensor Oksigen
Sensor oxygen menyensor apakah campuran udara dan bahan bakar
gemuk atau kurus terhadap campuran udara dan bahan bakar teoritis. Sensor
tersebut di tempatkan didalam exhaust manifold yang terdiri atas elemen
yang terbuat dari zirconium dioxide ( ZrO2). Elemen tersebut dilapisi
dengan lapisan tipis platina pada bagian dalam dan luarnya. Udara sekitar
yang dimasukkan ke bagian dalam sensor dan luar sensor terkena gas buang.
2.6
Dasar Pengapian Mesin
Pengapian induksi konvensional menciptakan percikan dengan menggunakan
potensial listrik ( 12 volt ) ke sisi primer dari koil kumparan. Langkah-langkah utama
potensi hingga sebesar 10.000 volt memberikan tegangan tinggi ke busi. Namun,
peningkatan proses ini relatif lambat dan sebagai engkol kecepatan putarannya ( RPM )
meningkat, dan tegangan sekunder menurun secara drastis.[4]
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
29
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Gambar 2.10 Rangkaian Pengapian
( Sumber: Astra Toyota, Training Center, 2008 )
Motor empat langkah ( siklus Otto ) mesin, saat berputar cepat, perlu percikan
terjadi banyak derajat sebelum piston mencapai puncak silinder. Hal ini memungkinkan
waktu untuk bagian depan api melewati campuran bahan bakar dan udara dalam silinder
harus berada dipotensi penuh sebagai piston dan mulai turun pada langkah ( stroke )
berikutnya. Tapi pada kecepatan rendah, bagian depan api masih terjadi dengan
kecepatan yang sama, jadi pada revs rendah, karena hal itu perlu untuk memicu
terjadinya beberapa saat kemudian, sehingga kekuatan maksimal dalam campuran bahan
bakar dan udara masih terjadi ketika piston mulai turun.
Pada kendaraan sekarang sudah mengalami perubahan sejalan dengan
perkembangan teknologi tanpa dilengkai platina lagi. Sistem pengapian pada mobil saat
ini dikembangkan lagi demi mencapai efisiensi dan optimasi sistem pengapian. Ada dua
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
30
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
sistem yang sekarang sering di aplikasikan pada kendaraan modern, yaitu : sistem
pengapian Wasted spark dan sistem pengapian langsung ( Direct Ignition ).
2.6.1 Sistem Pengapian Elektronik
Sistem pengapian elektronik dapat mengatasi kekuranganyang terjadi pada
sistem pengapian mekanik atau pengapian konvensional. Dengan penyempurnaan ini,
tegangan yang dihasilkan oleh kumparan air dapat mencapai 30.000 volt. Saat induksi
tegangan tinggi dapat terjadi dalam waktu singkat (2-5 mikro detik), bila dibandingkan
dengan pengapian mekanik (100-200 mikro detik). Oleh sebab itu kelambatan
pengapian dapat diatasi dengan cepat. Sistem pengapian elektronik yang menggunakan
komponen; transistor, dioda, resistor, kondensator atau kapasitor dengan tujuan untuk
mempercepat dan memperbesar sertaketepatan efisiensi pengapian pada semua pytaran
RPM mesin. Fitur lain dari sistem pengapian transistor koil, yang memiliki berat
gulungan primer dan yang lebih sedikit serta lebih tinggi rasio gulungan primer ke
gulungan sekunder dari koil arus konvensional[4].
Dalam kategori sisitem pengapian transistor dapat dibedakan dari kontak
pemutusnya, yaitu menggunakan transistor untuk memutus dan menyambungkan arus
ke kumparan primer pada koil pengapian. Bila komponen untuk mematikan dan
menghidupkan transistor tersebut menggunakan breaker point ( pengapian semi
elektronik). Sedangkan untuk menghidupkan dan mematikan transistor menggunakan
signal rotor dan generator yang kerjanya dengan induksi listrik. Ada juga dengan
menggunakan sensor infra merah (pengapian elektronik penuh). Sistem pengapian
elektronik ada beberapa macam, antara lain sistem pengapian transistor dengan
magnetic pulse, sistem pengapian dengan photo elektric cell dan lain-lain.[4]
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
31
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
2.7
Emisi Gas Buang
Dalam mendukung usaha pelestarian lingkungan hidup, negara-negara di dunia
mulai menyadari bahwa gas buang kendaraan merupakan salah satu polutan atau
sumber pencemaran udara terbesar oleh karena itu, gas buang kendaraan harus dibuat
sebersih mungkin agar tidak mencemari udara. Pada negara-negara yang memiliki
standar emisi gas buang kendaraan yang ketat, ada 5 unsur dalam gas buang kendaraan
yang akan diukur yaitu senyawa HC, CO, CO2, O2 dan senyawa NOx. Sedangkan pada
negara-negara yang standar emisinya tidak terlalu ketat, hanya mengukur 4 unsur dalam
gas buang yaitu senyawa HC, CO, CO2 dan O2.[5][7]
2.7.1 Emisi Senyawa Hidrokarbon
Bensin adalah senyawa hidrokarbon, jadi setiap HC yang didapat di gas buang
kendaraan menunjukkan adanya bensin yang tidak terbakar dan terbuang bersama sisa
pembakaran. Apabila suatu senyawa hidrokarbon terbakar sempurna (bereaksi dengan
oksigen) maka hasil reaksi pembakaran tersebut adalah karbondioksida (CO2) dan air
(H¬2O). Walaupun rasio perbandingan antara udara dan bensin (AFR=Air Fuel-Ratio)
sudah tepat dan didukung oleh desain ruang bakar mesin saat ini yang sudah mendekati
ideal, tetapi tetap saja sebagian dari bensin seolah-olah tetap dapat bersembunyi dari api
saat terjadi proses pembakaran dan menyebabkan emisi HC pada ujung knalpot cukup
tinggi. Untuk mobil yang tidak dilengkapi dengan Catalytic Converter (CC), emisi HC
yang dapat ditolerir adalah 500 ppm dan untuk mobil yang dilengkapi dengan CC, emisi
HC yang dapat ditolerir adalah 50 ppm. Emisi HC ini dapat ditekan dengan cara
memberikan tambahan panas dan oksigen diluar ruang bakar untuk menuntaskan proses
pembakaran. Proses injeksi oksigen tepat setelah exhaust port akan dapat menekan
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
32
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
emisi HC secara drastis. Saat ini, beberapa mesin mobil sudah dilengkapi dengan
electronic air injection reaction pump yang langsung bekerja saat cold-start untuk
menurunkan emisi HC sesaat sebelum CC mencapai suhu kerja ideal[6].
Apabila emisi HC tinggi, menunjukkan ada 3 kemungkinan penyebabnya yaitu
CC yang tidak berfungsi, AFR yang tidak tepat (terlalu kaya) atau bensin tidak terbakar
dengan sempurna di ruang bakar. Apabila mobil dilengkapi dengan CC, maka harus
dilakukan pengujian terlebih dahulu terhadap CC denganc ara mengukur perbedaan
suhu antara inlet CC dan outletnya. Seharusnya suhu di outlet akan lebih tinggi minimal
10% daripada inletnya. Apabila CC bekerja dengan normal tapi HC tetap tinggi, maka
hal ini menunjukkan gejala bahwa AFR yang tidak tepat atau terjadi misfire. AFR yang
terlalu kaya akan menyebabkan emisi HC menjadi tinggi. Ini bias disebabkan antara lain
kebocoran fuel pressure regulator, setelan karburator tidak tepat, filter udara yang
tersumbat, sensor temperature mesin yang tidak normal dan sebagainya yang dapat
membuat AFR terlalu kaya. Injector yang kotor atau fuel pressure yang terlalu rendah
dapat membuat butiran bensin menjadi terlalu besar untuk terbakar dengna sempurna
dan ini juga akan membuat emisi HC menjadi tinggi. Apapun alasannya, AFR yang
terlalu kaya juga akan membuat emisi CO menjadi tinggi dan bahkan menyebabkan
outlet dari CC mengalami overheat, tetapi CO dan HC yang tinggi juga bisa disebabkan
oleh rembasnya pelumas ke ruang bakar[7].
Apabila hanya HC yang tinggi, maka harus ditelusuri penyebab yang membuat
ECU memerintahkan injector untuk menyemprotkan bensin hanya sedikit sehingga
AFR terlalu kurus yang menyebabkan terjadinya intermittent misfire. Pada mobil yang
masih menggunakan karburator, penyebab misfire antara lain adalah kabel busi yang
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
33
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
tidak baik, timing pengapian yang terlalu mundur, kebocoran udara disekitar intake
manifold atau mechanical problem yang menyebabkan angka kompresi mesin rendah.
Untuk mobil yang dilengkapi dengan sistem EFI dan CC, gejala misfire ini harus segera
diatasi karena apabila didiamkan, ECU akan terus menerus berusaha membuat AFR
menjadi kaya karena membaca bahwa masih ada oksigen yang tidak terbakar ini.
Akibatnya CC akan mengalami overheat.
2.7.2 Emisi Karbon Monoksida (CO)
Gas karbonmonoksida adalah gas yang relative tidak stabil dan cenderung
bereaksi dengan unsur lain. Karbon monoksida, dapat diubah dengan mudah menjadi
CO2 dengan bantuan sedikit oksigen dan panas. Saat mesin bekerja dengan AFR yang
tepat, emisi CO pada ujung knalpot berkisar 0.5% sampai 1% untuk mesin yang
dilengkapi dengan sistem injeksi atau sekitar 2.5% untuk mesin yang masih
menggunakan karburator. Dengan bantuan air injection system atau CC, maka CO dapat
dibuat serendah mungkin mendekati 0%.[5]-[8]
Apabila AFR sedikit saja lebih kaya dari angka idealnya (AFR ideal = lambda =
1.00) maka emisi CO akan naik secara drastis. Jadi tingginya angka CO menunjukkan
bahwa AFR terlalu kaya dan ini bisa disebabkan antara lain karena masalah di fuel
injection system seperti fuel pressure yang terlalu tinggi, sensor suhu mesin yang tidak
normal, air filter yang kotor, PCV system yang tidak normal, karburator yang kotor atau
setelannya yang tidak tepat.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
34
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
2.7.3 Emisi Karbon Dioksida (CO2)
Konsentrasi CO2 menunjukkan secara langsung status proses pembakaran di
ruang bakar. Semakin tinggi maka semakin baik. Saat AFR berada di angka ideal, emisi
CO2 berkisar antara 12% sampai 15%. Apabila AFR terlalu kurus atau terlalu kaya,
maka emisi CO2 akan turun secara drastis. Apabila CO2 berada dibawah 12%, maka
kita harus melihat emisi lainnya yang menunjukkan apakah AFR terlalu kaya atau
terlalu kurus. Perlu diingat bahwa sumber dari CO2 ini hanya ruang bakar dan CC.
Apabila CO2 terlalu rendah tapi CO dan HC normal, menunjukkan adanya kebocoran
exhaust pipe.
2.7.4 Emisi Oksigen (O2)
Konsentrasi dari oksigen di gas buang kendaraan berbanding terbalik dengan
konsentrasi CO2. Untuk mendapatkan proses pembakaran yang sempurna, maka kadar
oksigen yang masuk ke ruang bakar harus mencukupi untuk setiap molekul
hidrokarbon.Dalam ruang bakar, campuran udara dan bensin dapat terbakar dengan
sempurna apabila bentuk dari ruang bakar tersebut melengkung secara sempurna.
Kondisi ini memungkinkan molekul bensin dan molekul udara dapat dengan mudah
bertemu untuk bereaksi dengan sempurna pada proses pembakaran. Tapi sayangnya,
ruang bakar tidak dapat sempurna melengkung dan halus sehingga memungkinkan
molekul bensin seolah-olah bersembunyi dari molekul oksigen dan menyebabkan proses
pembakaran tidak terjadi dengan sempurna.
Untuk mengurangi emisi HC, maka dibutuhkan sedikit tambahan udara atau
oksigen untuk memastikan bahwa semua molekul bensin dapat bertemu
dengan
molekul oksigen untuk bereaksi dengan sempurna. Ini berarti AFR 14,7:1 (lambda =
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
35
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
1.00) sebenarnya merupakan kondisi yang sedikit kurus. Inilah yang menyebabkan
oksigen dalam gas buang akan berkisar antara 0.5% sampai 1%. Pada mesin yang
dilengkapi dengan CC, kondisi ini akan baik karena membantu fungsi CC untuk
mengubah CO dan HC menjadi CO2. Mesin tetap dapat bekerja dengan baik walaupun
AFR terlalu kurus bahkan hingga AFR mencapai 16:1. Tapi dalam kondisi seperti ini
akan timbul efek lain seperti mesin cenderung knocking, suhu mesin bertambah dan
emisi senyawa NOx juga akan meningkat drastis.
Normalnya konsentrasi oksigen di gas buang adalah sekitar 1.2% atau lebih
kecil bahkan mungkin 0%. Tapi kita harus berhati-hati apabila konsentrasi oksigen
mencapai 0%. Ini menunjukkan bahwa semua oksigen dapat terpakai semua dalam
proses pembakaran dan ini dapat berarti bahwa AFR cenderung kaya. Dalam kondisi
demikian, rendahnya konsentrasi oksigen akan berbarengan dengan tingginya emisi CO.
Apabila konsentrasi oksigen tinggi dapat berarti AFR terlalu kurus tapi juga dapat
menunjukkan beberapa hal lain. Apabila dibarengi dengan tingginya CO dan HC, maka
pada mobil yang dilengkapi dengan CC berarti CC mengalami kerusakan. Untuk mobil
yang tidak dilengkapi dengan CC, bila oksigen terlalu tinggi dan lainnya rendah berarti
ada kebocoran di exhaust system[8].
2.7.5 Emisi senyawa NOx
Selain keempat gas diatas, emisi NOx tidak dipentingkan dalam melakukan
diagnose terhadap mesin. Senyawa NOx adalah ikatan kimia antara unsur nitrogen dan
oksigen. Dalam kondisi normal atmosphere, nitrogen adalah gas inert yang amat stabil
yang tidak akan berikatan dengan unsur lain. Tetapi dalam kondisi suhu tinggi dan
tekanan tinggi dalam ruang bakar, nitrogen akan memecah ikatannya dan berikatan
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
36
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
dengan oksigen. Senyawa NOx ini sangat tidak stabil dan bila terlepas ke udara bebas,
akan berikatan dengan oksigen untuk membentuk NO2. Inilah yang amat berbahaya
karena senyawa ini amat beracun dan bila terkena air akan membentuk asam nitrat.
Tingginya konsentrasi senyawa NOx disebabkan karena tingginya konsentrasi
oksigen ditambah dengan tingginya suhu ruang bakar. Untuk menjaga agar konsentrasi
NOx tidak tinggi maka diperlukan kontrol secara tepat terhadap AFR dan suhu ruang
bakar harus dijaga agar tidak terlalu tinggi baik dengan EGR maupun long valve
overlap. Normalnya NOx pada saat idle tidak melebihi 100 ppm. Apabila AFR terlalu
kurus, timing pengapian yang terlalu tinggi atau sebab lainnya yang menyebabkan suhu
ruang bakar meningkat, akan meningkatkan konsentrasi NOx dan ini tidak akan dapat
diatasi oleh CC atau sistem EGR yang canggih sekalipun.
Tumpukan kerak karbon yang berada di ruang bakar juga akan meningkatkan
kompresi mesin dan dapat menyebabkan timbulnya titik panas yang dapat
meningkatkan kadar NOx. Mesin yang sering detonasi juga akan menyebabkan
tingginya konsentrasi NOx. Untuk memudahkan kita menganalisa kondisi mesin, kita
dapat memakai penjelasan dibawah sebagai alat bantu :
1) Emisi CO tinggi, menunjukkan kondisi dimana AFR terlalu kaya ( lambda <
1.00 ). Secara umum CO menunjukkan angka efisiensi dari pembakaran di ruang
bakar. Tingginya emisi CO disebabkan karena kurangnya oksigen untuk
menghasilkan pembakaran yang tuntas dan sempurna.
Hal-hal yang menyebabkan AFR terlalu kaya antara lain :
- Idle speed terlalu rendah.
- Setelan pelampung karburator yang tidak tepat menyebabkan bensin terlalu
banyak.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
37
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
- Air filter yang kotor.
- Pelumas mesin yang terlalu kotor atau terkontaminasi berat.
- Charcoal Canister yang jenuh.
- PCV valve yang tidak bekerja.
- Kinerja fuel delivery system yang tidak normal.
- Air intake temperature sensor yang tidak normal.
- Coolant temperature sensor yang tidak normal.
- Catalytic Converter yang tidak bekerja.
2) Normal CO. Apabila AFR berada dekat atau tepat pada titik ideal (AFR 14,7
atau lambda = 1.00) maka emisi CO tidak akan lebih dari 1% pada mesin
dengan sistem injeksi atau 2.5% pada mesin dengan karburator.
3) CO terlalu rendah. Sebenarnya tidak ada batasan dimana CO dikatakan terlalu
rendah. Konsentrasi CO terkadang masih terlihat normal walaupun mesin sudah
bekerja dengan campuran yang amat kurus.
4) Emisi HC tinggi. Umumnya kondisi ini menunjukkan adanya kelebihan bensin
yang tidak terbakar yang disebabkan karena kegagalan sistem pengapian atau
pembakaran yang tidak sempurna. Konsentrasi HC diukur dalam satuan ppm
(part per million). Penyebab umumnya adalah sistem pengapian yang tidak
mumpuni, kebocoran di intake manifold, dan masalah di AFR.
Penyebab lainnya adalah :
– Pembakaran yang tidak sempurna karena busi yang sudah rusak.
– Timing pengapian yang terlalu mundur.
– Kabel busi yang rusak.
– Kompresi mesin yang rendah.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
38
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
– Kebocoran pada intake.
– Kesalahan pembacaan data oleh ECU sehingga menyebabkan AFR terlalu
kaya.
5) Kosentrasi Oksigen. Menunjukkan jumlah udara yang masuk ke ruang bakar
berbanding dengan jumlah bensin. Angka ideal untuk oksigen pada emisi gas
buang adalah berkisar antara 1% hingga 2%.
6) Konsentrasi oksigen tinggi. Ini menunjukkan bahwa AFR terlalu kurus. Kondisi
yang menyebabkan antara lain :
– AFR yang tidak tepat.
– Kebocoran pada saluran intake
– Kegagalan pada sistem pengapian yang menyebabkan misfire
7) Konsentrasi oksigen rendah. Kondisi ini menunjukkan bahwa AFR terlalu kaya.
8) Konsentrasi CO2 tinggi. Kondisi ini menunjukkan bahwa AFR berada dekat
atau tepat pada kondisi ideal.
9) Konsentrasi CO2 rendah. Kondisi ini menunjukkan bahwa AFR terlalu kurus
atau terlalu kaya dan kebocoran pada exhaust system.
10) Konsentrasi senyawa NOx. Senyawa NOx termasuk nitrit oksida (NO) atau
nitrat oksida (NO2) akan terbentuk bila suhu ruang bakar mencapai lebih dari
2500 oF (1350 oC). Senyawa ini juga dapat terbentuk apabila mesin mendapat
beban berat.
11) Konsentrasi NOx tinggi.
Kondisi ini menunjukkan :
– EGR Valve tidak bekerja.
– AFR terlalu kurus.
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
39
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
– Spark Advancer yang tidak bekerja.
– Thermostatic Air Heater yang macet.
– Kerusakan pada cold air duct.
– Tingginya deposit kerak di ruang bakar.
– Catalytic Converter yang tidak normal.
12) Konsentrasi NOx rendah. Sebenarnya tidak ada batasan yang menyatakan emisi
senyawa NOx terlalu rendah. Umumnya NOx adalah 0 ppm saat mesin idle.
Berikutnya adalah tabel untuk membantu kita membaca kemungkinan yang terjadi pada
mesin berdasarkan kombinasi emisi gas buang yang ada :
Tabel 2.1 Tabel Analisis Hasil Kombinasi Kadar Emisi Gas Buang
( Sumber: pencemaran_udara)[8]
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/
40
“Perubahan CO yang Berakibat Terhadap Batas Nyala pada Mesin Avanza 1300 cc”
Laporan Tugas Akhir
Program Studi Teknik
Mesin
http://digilib.mercubuana.ac.id/