SEPEDA MOTOR SATU SILINDER EMPAT LANGKAH
Bambang Sugiarto
Abstrak
Sistem injeksi bahan bakar telah dikembangkan sejak lama. Namun umumnya sistem injeksi bahan bakar tersebut
digunakan pada mesin mobil. Penggunaan sistem ini pada mesin sepeda motor dengan silinder tunggal masih belum
luas. Dengan penggunaan sistem injeksi bahan bakar, debit bahan bakar dapat dikontrol sesuai dengan parameter mesin
seperti putaran mesin, debit udara yang masuk, serta volume bahan bakar untuk setiap siklus, pada semua kondisi
mesin. Penelitian sistem injeksi bahan bakar ini dilakukan untuk mengetahui efisiensi volumetris sistem intake
manifold, kebutuhan bahan bakar untuk setiap siklus mesin, dan karakteristik mesin pada setiap kondisi yang diujikan.
Penelitian sistem injeksi bahan bakar untuk mesin satu silinder dengan siklus Otto empat langkah, dilakukan pada mesin
Honda CB100 dan dilaksanakan di Laboratorium Thermodinamika Departemen Teknik Mesin FTUI. Dari uji
eksperimen dalam penelitian ini menunjukkan karakteristik lama buka injector yang sesuai dengan fungsi putaran
mesin, dan tekanan intake pada mesin satu silinder. Sedangkan dari hasil penelitian ini menunjukan nilai efisiensi
volumetris yang baik dengan desain intake manifold menggunakan hasil simulasi CFD (Computational Fluid Dynamic).
1. Pendahuluan
Pada mesin dengan karburator, terjadi head loss pada venturi. Head loss ini berupa penurunan tekanan pada saluran masuk (intake manifold) yang akan berbanding lurus dengan penurunan debit udara yang masuk ke dalam silinder. Sehingga besarnya head loss pada karburator akan mempengaruhi efisiensi volumetrik secara langsung. Sedangkan pada mesin dengan sistem injeksi bahan bakar, dimana bahan bakar diinjeksikan dekat dengan katup hisap, maka intake manifold dapat didesain untuk lebih memaksimalkan aliran udara yang masuk merupakan fungsi dari aliran udara sebagai variabel
tanpa adanya kerugian tekanan pada sistem pemasukan Proses pengkabutan bahan bakar di karburator bebas. Pada venturi kecepatan aliran udara akan meningkat dan tekanan udara akan turun, sehingga bahan bakar akan mengalir melalui nozzle akibat adanya beda tekanan antara tekanan di venturi dengan tekanan. bahan bakar yang masuk ke silinder dilakukan bahan bakar di ruang pelampung. Pengontrolan debit dengan prinsip beda tekanan tersebut [1].
Pada mesin dengan sistem injeksi bahan bakar, pengontrolan debit bahan bakar dilakukan berdasarkan parameter beban dan kecepatan mesin untuk setiap siklus. Sehingga sistem injeksi bahan bakaremungkinkan pencampuran udara-bahan bakar dapat lebih tepat dan homogen. Disamping itu dengan penginjeksian bahan bakar di dekat katup masuk losses pada aliran bahan bakar akibat berat jenis dan sifat termodinamik bahan bakar dapat diminimalkan [2]. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik mesin satu silinder manifold, debit udara yang masuk, debit bahan bakar empat langkah yang menggunakan sistem injeksi bahan bakar, meliputi tekanan intake yang dibutuhkan, dan efisiensi volumetris pada saluran masuk (intake manifold)
2. Metode Penelitian
Pada tahap desain, dilakukan proses desain penempatan injektor, dengan menggunakan alat bantu program CFD
(Computational Fluid Dynamic) Phoenics untuk mensimulasikan bentuk laluan intake manifold sebagai variabel yang konstan Untuk itu, pada tahap desain ini, parameter yang dinilai dalam simulasi CFD adalah letak injektor yang mampu memberikan pencampuran udarabahan bakar yang homogen di dalam intake manifold. Parameter yang kedua mensyaratkan pencampuran udara-bahan bakar yang homogen harus terjadi pada berbagai kondisi putaran mesin Eksperimental ini dilakukan pada Mesin CB 100 di Laboratorium Thermodinamika Departemen Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia, dengane bagai variasi putaran mesin tanpa beban dan data pengukurannya dikirim ke komputer melalui data acquisition system.
Spesifikasi Mesin uji ( Honda CB 100):
• Bore x stroke, mm : 50,5 x 49,5
• Compression ratio/press, psi : 9,0 / 156 – 213
• Valve timing/lift, degree/mm
Intake open/close : 5°BTDC/35°ABCD
Exhaust open/close : 30°BBDC/5°ATDC
• Ignition timing, mm or : 10°(F)/1300 to
BTDC/ speed, rpm 36°-40°/3700-4000
• Spark plug grade/gap, mm : NGK DR8ES/0,6-0,7
Spesifikasi Sistem Electronic Fuel Injection:
• Jenis : Haltech F9
• Kebutuhan listrik : 8,6 – 16 Volt DC
• Konsumsi Listrik
ECU : 270 mA pada 12 Volt
• Input sensor
1. Manifold Absolute Pressure (MAP) Sensor
1 Bar : -100 kPa sampai 0 kPa (Naturally
aspirated)
2. Temperatur Sensor (Udara dan Mesin)
�� Tipe NTC temperature dependent resistor
�� Jangkauan operasi
Kontinyu -40° sampai 100°C
Intermittent sampai 125°C
3. Throttle Position Sensor
4. Engine Speed Pickup
• ECU output
1. Injector Driver
4 x 4/1 A peak and hold injector
2. Fuel Pump Control
• Adjustable features Base Fuel Map
- 22 Fuel ranges, setiap 500 RPM sampai
dengan 10.500 RPM, atau
- 17 Fuel ranges, setiap 1.000 RPM sampai
dengan 16.000 RPM
• Datalogging 5 titik kondisi setiap detik
• Koneksi ke komputer dengan menggunakan kabel
serial RS232C port 9 pin D connector
Sistem Bahan Bakar:
1. Pompa Bahan Bakar
Jenis : In-tank
Merk : Aisan
Tekanan Maksimal : 3,5 bar
2. Fuel pressure regulator
Merk : Denso 1262
Tekanan Maksimal : 2,5 bar
3. Fuel injector
Jenis : Pintle bertahanan tinggi
Debit massa : 200 gr/menit
Pengambilan data pada pengujian ini dilakukan dengan
variasi sebagai berikut :
1. Pengambilan data melalui pengujian pada kondisi putaran mesin yang tetap mulai dari kecepatan putar mesin 2000 – 8500 rpm pada setiap kenaikan500 rpm, akselerasi, dan deselerasi. Hasil dari pengambilan data ini adalah: putaran mesin,
tekanan intake, lambda dan waktu buka injector.
2. Pengolahan dan pengambilan data dimulai pada saat kondisi mesin dalam keadaan steady untuk setiap kecepatan putar mesin.
3. Menentukan lama buka injektor teoritis campuran udara-bahan bakar stokiometri (Lambda = 1) berdasarkan pengambilan data awal berupa tekanan intake manifold, temperatur udara masuk, danfisiensi volumetris hasil perhitungan langkah kedua. Debit injektor telah diketahui dengan rumus teoritis yang ada.
4. Pengujian dimulai dari campuran yang rich, dan diarahkan ke kondisi lean, dan hasil eksperimen ini akan dibandingkan dengan durasi buka injektor teoritis (Lambda = 1) dan dilihat kecenderungan nilai Lambda pada berbagai kondisi mesin
3. Hasil dan Pembahasan
Analisis Desain Penempatan Injektor hasil simulasi CFD. Simulasi CFD ini menyatakan proses penginjeksian bahan bakar sesaat, dimana hasil simulasi menunjukan distribusi aliran bahan bakar yang diinjeksikan secara terputus-putus (intermittent). Pada Gambar 1 dan 2, adalah hasil simulasi CFD yang dilakukan pada elbow dari intake manifold dimana
terjadi proses percampuran udara dengan bahan bakar yang diinjeksikan. Elbow memiliki diameter dalam 10 mm, dan diameter luar 40 mm. Diameter intake 30 mm. Tekanan intake manifold dianggap konstan antara inlet dan outlet dan beda tekanan injektor dengan intake selalu 2,5 bar. Pada tahap ini, simulasi dilakukan dua kali, pada tekanan intake -54 kPa dan 0 kPa. Dari hasil simulasi CFD ini diketahui bahwa desain yang dibuat mampu menghasilkan campuran udara-bahan bakar
yang cukup homogen (merah-orange). Ini membuktikan bahwa desain intake manifold bantuan CFD tersebut cukup baik dari segi pencampuran udara-bahan bakar. Dari Gambar 5, maka dapat diketahui bahwa nilai durasi buka injektor aktual didapat lebih besar dibandingkan nilai durasi buka injektor teoritis. Nilai durasi buka injektor aktual ini adalah nilai minimal yang dapat dicapai sebelum mesin cenderung untuk mati. Hal ini disebabkan untuk campuran yang lebih lean, proses pembakaran menjadi sangat lambat, delay periodAnalisis Efisiensi Volumetris, data-data diambil pada
kondisi kecepatan putaran mesin yang tetap untuk setiap titik data Dari Gambar 3, dapat diketahui bahwa kecepatan
rendah tekanan intake berkisar -56 kPa. Dan pada kondisi putaran tertinggi tekanan intake -16 kPa. Namun
demikian kenaikan tekanan intake manifold tidak menunjukan kenaikan yang kontinyu. Kenaikan tekanan intake berfluktuasi, hal ini disebabkan oleh karena kondisi mesin belum pada keadaan steady. Efisiensi volumetris maksimal yang dapat tercapai 1,100 pada kecepatan 2500 rpm dan 3500 rpm, dan efisiensi volumetris minimal 0,755 pada kecepatan 8000 rpm Setelah mencapai nilai maksimal di kecepatan 3500 rpm, efisiensi volumetris turun secara kontinyu dan
berkisar pada nilai 0,800. Penurunan efisiensi volumetris ini dapat disebabkan oleh gesekan yang makin besar. Analisis Campuran Udara-Bahan Bakar, berdasarkan data hasil perhitungan teoritis dan hasil pengujian variasi pembakaran didalam silinder semakin fluktuatif. Dari referensi yang ada [3], dijelaskan pada putaran rendah beda tekanan intake manifold dengan exhaust manifold adalah sangat besar. Sehingga gas sisa pembakaran akan mengalir dari silinder ke intake manifold, dan mengakibatkan presentase gas sisa pembakaran meningkat pada kondisi idle, yang akan mengencerkan (diluted) fresh mixture yang masuk ke silinder. Dari Gambar 6 dan 7 pada 7000 rpm dapat dianalisis
diketahui bahwa pada kecepatan putar yang tinggi, tekanan intake manifold berfluktuasi pada amplitudo yang tinggi. Fluktuasi ini dapat disebabkan aliran udara yang berkecepatan tinggi dan siklus buka-tutup katup masuk yang menyebabkan terjadinya inersia aliran udara yang tinggi dan menimbulkan gelombang tekanan yang berfluktuasi dan mempengaruhi tekanan intake manifold. Terlihat kecenderungan bukaan injektor sebanding dengan tekanan intake manifold. Garisersamaan polinomial durasi buka injektor dan tekanan intake manifold menunjukan periode yang sama. Terjadi beberapa keterlambatan respons injektor terhadap tekanan intake manifold yang sangat berfluktuasi Dari Gambar 8 dan 9 dapat diketahui bahwa pada kecepatan yang rendah kevacuuman yang tinggi terjadi didalam intake manifold. Hal ini menyebabkan aliran udara yang lebih kontinyu, sehingga mengakibatkan amplitudo pulsa tekanan akan lebih kecil dibandingkan dengan kondisi mesin pada kecepatan tinggi. Untuk kecepatan putar mesin yang rendah durasi buka injektor
diatur cenderung lebih rich. Hal ini diperlukan untuk menjaga operasi mesin yang stabil. Pada saat mesin berakselerasi rpm ke sekitar 8000 rpm, didapatkan data kecepatan dari kecepatan putar 5280. putar, tekanan intake manifold, dan durasi buka injector sehingga dapat dihitung nilai lambda saat akselerasi Dari Gambar 10 dan 11 dapat diketahui bahwa terjadi
eterlambatan respons perubahan tekanan intake manifold terhadap perubahan putaran mesin. Hal ini disebabkan volume intake manifold yang terbatas sehingga tingkat tekanan didalam manifold bertambah dengan lebih lambat. Akibatnya perbedaan tekanan tekanan intake ini tidak sebanding dengan durasi buka injektor. Oleh karena durasi buka injektor diatur untuk menghasilkan campuran yang lebih rich pada kecepatan putar mesin uang rendah. Sehingga Lambda pada putaran rendah akan lebih rendah dibandingkan pada putaran tinggi. antara kondisi awal dan akhir pada perubahan throttle
menjadi lebih besar. Durasi buka injektor menunjukan kenaikan, tetapi tidak sebanding dengan kenaikan tekanan intake manifold, hal ini dikarenakan pengaturan campuran udara-bahan bakar yang lebih lean pada kondisi kecepatan putar mesin yang lebih tinggi dan juga tekanan intake yang lebih tinggi. Berdasarkan hasil eksperimen pada saat mesin berdeselerasi dari 3960 rpm ke 2700 rpm, didapatkan data kecepatan putar, tekanan intake manifold, dan durasi buka injektor sehingga dapat dihitung nilai Lambda pada saat deselerasi. Dari Gambar 12 dan 13 dapat diketahui bahwa pada saat deselerasi tekanan intake manifold secara keseluruhan turun dengan drastis dan sebanding dengan turunya kecepatan putar mesin. Fluktuasi tekanan intake manifold masih tetap terjadi. Pada akhir deselerasi tekanan intake akan mengalami kenaikan untuk menuju kondisi steady pada putaran rendah. Hal ini diikuti oleh durasi buka injektor, namun penurunan dan kenaikan
4. Kesimpulan
Dari pembahasan berdasarkan simulasi dan pengamatan data pengujian maka diketahui pengaruh desain intake manifold terhadap efisiensi volumetris dan karakteristik kerja mesin. Berdasarkan analisis tersebut dapat disimpulkan bahwa desain intake manifold model elbow dengan bantuan simulasi CFD mampu menghasilkan campuran udara-bahan bakar yang cukup homogen. Ini membuktikan bahwa desain intake manifold bantuan CFD tersebut sangat baik dari segi pencampuran udarabahan bakar. Desain intake manifold dengan bantuan simulasi CFD ini, menghasilkan efisiensi volumetris yang cukup baik, khususnya pada kecepatan rendah Pada mesin 4 langkah satu silinder ini terjadi fluktuasi tekanan masuk yang besar terutama pada kecepatan putar mesin yang tinggi. Fluktuasi ini dapat menyebabkan keterlambatan respons alat. Pada
penelitian ini, yang menggunakan kondisi mesin tanpa beban diperoleh nilai Lambda yang tidak dapat mencapai nilai stoikiometri. Nilai Lambda yang didapat adalah parameter batas operasi mesin yang stabil. Terjadi keterlambatan respons perubahan tekanan intake manifold terhadap perubahan kondisi mesin sehingga perlu dikembangkan bentuk geometri manifold dan perletakkan injektor yang lebih optimal.
