1. PENDAHULUAN
Untuk dapat menghasilkan prestasi motor bensin yang optimal maka diperlukan suatu pengaturan sudut penyalaan. Beberapa parameter yang mempengaruhi sudut pengapian antara lain: beban, putaran, kualitas bahan bakar, konstruksi ruang bakar, temperatur ruang bakar yang dalam hal ini direpresentasikan oleh temperatur air pendingin.
Gambar 1 Grafik Pengaruh Tekanan terhadap variasi Sudut Penyalaan.[1]
Dari gambar (1) dapat dilihat bahwa sudut pengapian mempengaruhi tekanan yang terjadi di ruang bakar.
Sudut pengapian yang lebih awal akan menghasilkan tekanan ruang bakar yang lebih tinggi. Hal ini diakibatkan oleh proses pembakaran bahan bakar dan udara sudah mulai berlangsung pada langkah kompresi.
Sedangkan sudut penyalaan yang makin dekat dengan titik mati atas (dimundurkan) akan menghasilkan tekanan pembakarang yang relatif lebih rendah. Hal ini disebabkan oleh proses pembakaran sebagian berlangsung pada saat torak dalam proses ekspansi.
Secara teoritis, makin tinggi tekanan ruang bakar, gaya dorong yang diberikan kepada piston juga lebih besar. Secara praktikal, kenaikan tekanan ruang bakar mempunyai titik optimasi. Dari gambar (2) dapat dilihat bahwa torsi pengereman maksimum (maximum brake torque) terjadi pada suatu sudut penyalaan tertentu. Titik optimum ini diperoleh karena keterbatasan bahan bakar maupun material. Sudut penyalaan makin lebih awal akan dapat menyebabkan fenomena knocking yang menyebabkan torsi mengalami penurunan.
Gambar 2. Kurva besar torsi relatif terhadap pemajuan sudut penyalaan busi[1]
Knocking terjadi akibat sudut pengapian yang terlalu awal menyebabkan campuran bahan bakar dan udara yang terletak di lokasi paling jauh dari busi akan mengalami kompresi akibat pressure wave. Akibat proses kompresi ini temperatur campuran bahan bakar dan udara tersebut mencapai temperatur nyala sendirinya sehingga pembakaran dapat berlangsung dengan sendirinya.
2. PROSEDUR PENGUJIAN
Dalam pengujian ini besaran-besaran yang diambil meliputi:
- temperatur air masuk ke motor (°C)
- saat penyalaan (° sebelum titik mati atas)
- torsi pembebanan (Nm)
- sudut bukaan throttle
- laju aliran udara (gr/s)
- laju aliran bahan bakar (g/s)
- perbandingan udara dengan bahan bakar (air fuel ratio).
Batasan-batasan yang dilakukan selama pengujian agar pengujian terfokus pada tujuan mula, meliputi:
- kondisi tunak
- temperatur air pendingin masuk adalah 40°C yang mewakili kondisi temperatur rendah, 60°C untuk mewakili kondisi temperatur menengah dan 90°C untuk mewakili kondisi temperatur tinggi)
- pengujian tidak dilakukan pada kondisi bukaan katup gas terbuka penuh (Wide Opened Throttle) pada tiga sudut bukaan yang sering dipakai dalam pengoperasian kendaraan di jalan, yaitu bukaan ±½, dan bukaan ±¾.
- pengujian dilakukan pada 1600–3000 rpm
- bahan bakar yang digunakan adalah bensin super TT
- pengujian dan pengambilan data dilakukan menggunakan peta motor (engine mapping database) stoikiometri.
- batasan dari operasi motor bensin selama pengujian adalah munculnya fenomena knocking.
Pengujian dilakukan dengan melakukan langkah-langkah seperti yang ada di diagram alir berikut: (Gamabar 3)
Peralatan Pengujian
Peralatan pengujian yang dipakai selama pengujian meliputi:
Motor bensin Toyota 7K dengan sistem penyemprotan bahan bakar elektronik ECU Mobar 3. Data spesifikasi motor bensin Toyota 7K:
Gambar 3. Flowchart Pengujian Pengaruh Temperatur terhadap saat penyalaan.
| Susunan & jumlah silinder | 4 Silinder Segaris. |
|---|---|
| Mekanisme katup | 8 Katup, OHV, Penggerak Rantai |
| Ruang bakar | Wedge Type |
| Manifold | Counter Flow |
| Sistem bahan bakar | Penyemprotan bahan bakar elektronik |
| Sistem penyalaan | Terkomputasi |
| Volume langkah (cc) | 1781 |
| Diameterxlangkah (mm) | 80,5x87,5 |
| Perbandingan kompresi | 8,3:1 |
| Daya maksimum | 80 PS/4800 rpm |
| Torsi maksimum | 14,3 kgm/2800 rpm |
| Katup isap terbuka | 16° sebelum TMA |
| Katup isap tertutup | 52° setelah TMB |
| Katup buang terbuka | 50° sebelum TMB |
| Katup buang tertutup | 18° setelah TMA |
| Oktan bensin | 88 atau lebih tinggi |
| Spesifikasi pelumas | API SG, SH |
- Sistem pengaturan temperatur air pendingin masuk ke motor bensin. Sistem menggunakan penukar kalor tipe kompak dengan pengaturan debit air pendingin oleh pengatur temperatur elektris (thermocontroler).
- Sistem penyemprotan bahan bakar elektronik ECU Mobar versi 3: sistem ini menjadi otak yang mengatur seluruh kerja motor, dengan bahan bakar mengatur jumlah yang disemprotkan, saat penyalaan busi, Pengaturan jumlah bahan bakar yang akan disemprot dan saat penyalaan dilakukan berdasarkan dari data peta motor (engine mapping database). Sistem ini berkomunikasi dengan komputer PC, sehingga semua data-data selama pengujian dapat langsung dimodifikasi maupun direkam langsung di komputer.
DATA HASIL PENGUJIAN
Dari pengujian diperoleh berupa data-data yang dapat dilihat pada lampiran. Data-data tersebut meliputi:
- Bukaan throttle, dalam pengujian bukaan throttle dilakukan pada tiga kondisi dengan nilai numeric yang berasal dari sensor bukaan katup throttle sebesar 190, 200, 210. Nilai ini identik dengan bukaan katup sebesar 30°, 45°, 60°.
- Beban, diperoleh dari pengukuran timbangan beban pada dinamometer air (water brake).
- Saat penyalaan, data ditampilkan pada PC dapat mengacu pada peta motor dan dapat diubah secara manual.
- Putaran mesin, data putaran mesin ditampilkan pada komputer.
- Laju Udara, data laju udara diperoleh dengan menggunakan sensor aliran udara dengan menggunakan prinsip karman vorteks.
- Laju bahan bakar, data laju bahan bakar yang masuk ke dalam motor diatur dengan mengukur lama bukaan injektor oleh ecu. Lama bukaan injektor mengacu pada basis data peta motor (engine mapping database).
- Perbandingan udara dan bahan bakar (air fuel ratio), data ini diperoleh dengan membagi laju udara masuk terhadap laju bahan bakar. Data
- perbandingan laju udara bahan bakar dapat diperoleh komputer.
- Temperatur masuk air pendingin motor, dimana nilainya dijaga konstan selama pengujian satu kondisi.
Dalam proses pengukuran prestasi motor cukup sulit dilakukan pada saat motor bensin mengalami fenomena knocking sehingga putaran motor menjadi tidak konstan. Hal ini terjadi saat sudut penyalaan mencapai posisi yang relatif sangat awal, yaitu sekitar 60 -63°sebelum titik mati atas. Perubahan kecepatan putar mesin mencapai ±1000 rpm (contoh putaran 2500 — kecepatan putar motor bisa berkisar antara maksimum 3000 rpm sampai minimum 2000 rpm).
Analisis penyebab terjadinya fenomena tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut:
- Dengan menentukan saat penyalaan secara konstan (pemberian masukkan variabel pada komputer), kondisi operasi motor menjadi rentan terhadap perubahan. Sudut penyalaan motor bensin secara umum harus selalu disesuaikan secara kontinyu menghasilkan putaran mesin konstan. Dengan kemampuan untuk menetapkan saat penyalaan busi secara konstan, motor bensin selama pengujian cenderung tidak mempertahankan putaran motor bila ada gangguan. Pada saat sudut penyalaan yang terlalu maju, motor mengalami fenomena knocking yang menyebabkan daya turun. Akibat daya yang turun ini maka putaran motor bensin menjadi turun. Putaran motor bensin yang turun selanjutnya menyebabkan beban dihasilkan oleh dinamometer air juga turun, sehingga menyebabkan motor bensin kembali naik putarannya. Fenomenan ini kembali ke awal, sehingga motor bensin beroperasi dengan putaran yang naik turun secara siklik. Sebenarnya fenomena ini dapat dihindari dalam pengujian menggunakan dinamometer yang dapat mengontrol putaran secara otomatis.
- Namun demikian ada juga beberapa faktor yang cukup menunjang selama proses pengujian. Penggunaan bahan bakar Super TT yang mempunyai nilai oktan = 92 memperkecil kecenderungan terjadinya knocking. Dengan nilai oktan bahan bakar yang cukup tinggi, bahan bakar "tahan" untuk tidak terbakar dengan sendirinya akibat temperatur dan tekanan yang tinggi. Selain itu perbandingan kompresi (compression ratio) motor kijang yang hanya sebesar 8,3 : 1, mengakibatkan knocking tidak mudah terjadi.
Analisis data grafik perbandingan saat penyalaan terhadap putaran mesin
Dengan melakukan pengujian sesuai dengan prosedur pengujian yang telah diatur, diperoleh data-data yang dapat ditampilkan sebagai berikut:
Gambar 4. Perbandingan Saat Penyalaan untuk torsi optimum dengan throtlle bukaan =¼ pada λ=1
Gambar 5. Perbandingan Saat Penyalaan untuk torsi optimum dengan throtlle Bukaan = \(\frac{1}{2}\) pada \(\lambda = 1\)
Gambar 6. Perbandingan Saat Penyalaan untuk torsi optimum dengan throtlle Bukaan =¾ pada λ=1
Pada Gb. (4), (5), (6) terlihat bahwa kenaikan temperatur air masuk kedalam motor, untuk kondisi putaran motor dan bukaan katup gas yang sama, terjadi perubahan saat
penyalaan busi optimum. Dari gambar terlihat, semakin tinggi temperatur motor, saat penyalaan optimum semakin dimundurkan, mendekati TMA (retarded). Hal ini disebabkan karena temperatur motor semakin tinggi untuk kondisi beban dan putaran yang sama, menyebabkan campuran udara-bahan bakar menjadi sangat mudah terbakar. Dengan tekanan dan temperatur gas hasil pembakaran yang tinggi, kecepatan reaksi pembakaran menjadi tinggi. Data adanya pemunduran saat penyalaan diperoleh dengan melihat data yang terrekam di PC, maupun dengan menggunakan alat lampu stroboskop.
Langkah memundurkan saat penyalaan busi juga dilakukan agar tekanan pembakaran tidak terlalu tinggi. Penurunan tekanan pada ruang bakar dapat mengurangi kemungkinan terjadinya knocking.
Selain itu langkah memundurkan saat penyalaan memperkecil volume rambatan api, sehingga kemungkinan terjadinya sumber titik api diluar titik api busi dapat dihindari.
Bila dilihat dari perubahan saat penyalaan karena temperatur motor, semakin tinggi beban motor, perubahan saat penyalaan semakin signifikan. Hal ini dapat dilihat pada Gb. (4), (5). Semakin besar beban yang ingin dihasilkan, dibutuhkan saat penyalaan yang tepat untuk menghasilkan tekanan pembakaran tinggi. Tekanan pembakaran tinggi diperlukan untuk menghasilkan gaya untuk mendorong torak pada langkah kerja yang besar. Pada beban rendah, saat penyalaan yang tepat tidak terlalu dibutuhkan, karena tekanan pembakaran tidak perlu terlalu tinggi.
Dari Gb. (4), (5) dan (6) perbandingan saat penyalaan terhadap kecepatan motor pada torsi optimum untuk kondisi bukaan katup gas yang berbeda-beda, terlihat bahwa semakin tinggi kecepatan putar motor, saat penyalaan semakin dimajukan, menjauhi TMA (advanced). Semakin tinggi kecepatan putar motor, semakin sedikit waktu proses pembakaran, sehingga perlu dimajukan saat penyalaan agar setiap siklus pembakaran memperoleh waktu pembakaran yang cukup untuk menghasilkan tekanan pembakaran yang paling optimum.
Gambar 7.Pengaruh Saat Penyalaan terhadap Torsi dengan Variasi Temperatur Motor pada Putaran Mesin 1800 rpm dengan kondisi λ=1
Gambar 8. Pengaruh Saat Penyalaan terhadap Torsi dengan variasi Temperatur Motor pada Putaran Mesin 1600 rpm dengan kondisi \(\lambda = 1\)
Dengan mengacu pada Gb (4) (5) dan (6), dapat disimpulkan, adanya perubahan temperatur motor, perlu dilakukan perubahan saat penyalaan untuk memperoleh prestasi motor yang optimum. Untuk kondisi motor pada temperatur start dingin (berkisar ±20°C hingga 40°C) sebaiknya sudut penyalaan dimajukan, menjauhi TMA ±1-5° dari saat penyalaan normal (peta motor kondisi standar). Langkah memajukan penyalaan memberikan waktu pembakaran yang lebih lama, sehingga diperoleh prestasi mesin yang lebih baik, serta membantu motor untuk dapat lebih cepat panas. Sedangkan untuk kondisi temperatur mendekati overheating (temperatur air berkisar ± 90°C ke atas), penyalaan sebaiknya dimundurkan, mendekati TMA ±3°-5° dari penyalaan kondisi normal untuk mengurangi kemungkinan terjadinya knocking.
Kesimpulan dan Pengembangan Selanjutnya
Kesimpulan yang diperoleh dari hasil pengujian ini:
Untuk kondisi motor pada temperatur start dingin (berkisar ±20°C hingga 40°C), penyalaan sebaiknya dimajukan, menjauhi TMA ±1°-5° dari sudut penyalaan normal (peta mesin standar).
Untuk kondisi motor pada temperatur tinggi (temperatur air berkisar ± 90°C keatas), saat penyalaan sebaiknya dimundurkan, mendekati TMA ±3°-5° dari sudut penyalaan kondisi normal.
Semakin tinggi putaran dan beban mesin, perubahan saat penyalaan semakin signifikan untuk menghindari terjadinya knocking.
Semakin tinggi putaran mesin, saat penyalaan sebaiknya dimajukan, menjauhi TMA. Hal ini perlu untuk mengkompensasi pembakaran campuran bahan bakar dan udara agar terjadi pembakaran yang sempurna.
Diharapkan pengujian ini dapat ditindak lanjuti dengan mengembangkan sistem penghindaran knocking yang pintar, dan dapat diaplikasikan langsung kedalam perangkat ECU Mobar versi 3, maupun perangkat ECU pada motor bensin yang ada dimasyarakat.