SISTEM INJEKSI BAHAN BAKAR
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.

Karburator adalah sebuah alat yang mencampur udara dan bahan bakar untuk sebuah mesin pembakaran dalam. Karburator masih digunakan dalam mesin kecil dan dalam mobil tua atau khusus seperti yang dirancang untuk balap mobil stock. Kebanyakan mobil yang diproduksi pada awal 1980-an telah menggunakan injeksi bahan bakar elektronik terkomputerisasi. Mayoritas motor masih menggunakan karburator dikarenakan lebih ringan dan murah, namun pada 2005 sudah banyak model baru diperkenalkan dengan injeksi bahan bakar

Sejarah dan Pengembangan

Karburator pertama kali ditemukan oleh Karl Benz pada tahun 1885 dan dipatenkan pada tahun 1886. Pada tahun 1893 insinyur kebangsaan Hungaria bernama János Csonka dan Donát Bánki juga mendesain alat yang serupa. Adalah Frederick William Lanchester dari Birmingham, Inggris yang pertama kali bereksperimen menggunakan karburator pada mobil. Pada tahun 1896 Frederick dan saudaranya membangun mobil pertama yang menggunakan bahan bakar bensin di Inggris, bersilinder tunggal bertenaga 5 hp (4 kW), dan merupakan mesin pembakaran dalam (internal combution). Tidak puas dengan hasil akhir yang didapat, terutama karena kecilnya tenaga yang dihasilkan, mereka membangun ulang mesin tersebut, kali ini mereka menggunakan dua silinder horisontal dan juga mendisain ulang karburator mereka. Kali ini mobil mereka mampu menyelesaikan tur sepanjang 1.000 mil (1600 km) pada tahun 1900. Hal ini merupakan langkah maju penggunaan karburator dalam bidang otomotif

Karburator umum digunakan untuk mobil berhahan bakar bensin sampai akhir 1980-an. Setelah banyak kontrol elektronik digunakan pada mobil, penggunaan karburator mulai digantikan oleh sistem injeksi bahan bakar karena lebih mudah terintegrasi dengan sistem yang lain untuk mencapai efisiensi bahan bakar.

Desain

Karburator dapat dikelompokan menurut arah aliran udara, barel dan tipe venturi. Tiap-tiap karburator mengkombinasikan ketiganya dalam desainnya.

Arah aliran udara

1. Aliran turun (downdraft), udara masuk dari bagian atas karburator lalu keluar melalui bagian bawah karburator.
2. Aliran datar (sidedraft), udara masuk dari sisi samping dan mengalir dengan arah mendatar lalu keluar lewat sisi sebelahnya.
3. Aliran naik (updraft), kebalikan dari aliran turun, udara masuk dari bawah lalu keluar melalui bagian atas.

Barel

Barel adalah saluran udara yang didalamnya terdapat venturi.

1. Single barel, hanya memiliki satu barel. Umumnya digunakan pada sepeda motor atau mobil dengan kapasitas mesin kecil.
2. Multi barel, memimiliki lebih dari satu barel (umumnya dua atau empat barel), untuk memenuhi kebutuhan akan aliran udara yang lebih besar terutama untuk mesin dengan kapasitas mesin yang besar.

[sunting] Venturi

1. Venturi Tetap, pada tipe ini ukuran venturi selalu tetap. Pedal gas mengatur katup udara yang menentukan besarnya aliran udara yang melewati venturi sehigga menentukan besarnya tekanan untuk menarik bahan bakar.
2. Venturi bergerak, pada tipe ini pedal gas mengatur besarnya venturi dengan menggunakan piston yang dapat naik-turun sehingga membentuk celah venturi yang dapat berubah-ubah. Naik-turunnya piston venturi ini disertai dengan naik-turunnya needle jet yang mengatur besarnya bahan bakar yang dapat tertarik serta dengan aliran udara. Tipe ini disebut juga "tekanan tetap" karena tekanan udara sebelum memasuki venturi selalu sama.

Prinsip Kerja

Pada dasarnya karburator bekerja menggunakan Prinsip Bernoulli: semakin cepat udara bergerak maka semakin kecil tekanan statis-nya namun makin tinggi tekanan dinamis-nya. Pedal gas pada mobil sebenarnya tidak secara langsung mengendalikan besarnya aliran bahan bakar yang masuk kedalam ruang bakar. Pedal gas sebenarnya mengendalikan katup dalam karburator untuk menentukan besarnya aliran udara yang dapat masuk kedalam ruang bakar. Udara bergerak dalam karburator inilah yang memiliki tekanan untuk menarik serta bahan bakar masuk kedalam ruang bakar.

Kebanyakan mesin berkarburator hanya memiliki satu buah karburator, namun ada pula yang menggunakan satu karburator untuk tiap silinder yang dimiliki. Bahkan sempat menjadi trend modifikasi sepeda motor di Indonesia penggunaan multi-carbu (banyak karburator) namun biasanya hal ini hanya digunakan sebagai hiasan saja tanpa ada fungsi teknisnya. Mesin-mesin generasi awal menggunakan karburator aliran keatas (updraft), dimana udara masuk melalui bagian bawah karburator lalu keluar melalui bagian atas. Keuntungan desain ini adalah dapat menghindari terjadinya mesin banjir, karena kelebihan bahan bakar cair akan langsung tumpah keluar karburator dan tidak sampai masuk kedalam intake mainfold; keuntungan lainnya adalah bagian bawah karburator dapat disambungkan dengan saluran oli supaya ada sedikit oli yang ikut kedalam aliran udara dan digunakan untuk membasuh filter udara; namun dengan menggunakan filter udara berbahan kertas pembasuhan menggunakan oli ini sudah tidak diperlukan lagi sekarang ini.

Mulai akhir 1930-an, karburator aliran kebawah (downdraft) dan aliran kesamping (sidedraft) mulai popouler digunakan untuk otomotif.

[sunting] Operasional

Pada setiap saat beroperasinya, karburator harus mampu:

• Mengatur besarnya aliran udara yang masuk kedalam ruang bakar
• Menyalurkan bahan bakar dengan jumlah yang tepat sesuai dengan aliran udara yang masuk kedalam ruang bakar sehingga rasio bahan bakar/udara tetap terjaga.
• Mencampur airan udara dan bahan bakar dengan rata dan sempurna

Hal diatas bakal mudah dilakukan jika saja bensin dan udara adalah fluida ideal; tapi kenyataannya, dengan sifat alami mereka, yaitu adanya viskositas, gaya gesek fluida, inersia fluida, dan sebagainya karbrator menjadi sangat kompleks dalam mengatasi keadaan tidak ideal ini. Juga karburator harus tetap mampu memproduksi campuran bensin/udara yang tepat dalam kondisi apapun, karena karburator harus beroperasi dalam temperatur, tekanan udara, putaran mesin, dan gaya sentrifugal yang sangat beragam. Karburator harus mampu beroperasi dalam keadaan:

• Start mesin dalam keadaan dingin
• Start dalam keadaan panas
• Langsam atau berjalan pada putaran rendah
• Akselarasi ketika tiba-tiba membuka gas
• Kecepatan tinggi dengan gas terbuka penuh
• Kecepatan stabil dengan gas sebagian terbuka dalam jangka waktu yang lama

Karburator modern juga harus mampu menekan jumlah emisi kendaraan

Dasar

Karburator pada dasarnya merupakan pipa terbuka dikedua ujungnya, dalam pipa ini udara bergerak menuju intake mainfold menuju kedalam mesin/ruang bakar. Pipa ini berbentuk venturi, yaitu dari satu ujung permukaannya lebar lalu menyempit dibagian tengah kemudian melebar lagi di ujung satunya. Bentuk ini menyebabkan kecepatan aliran udara meningkat ketika melewati bagian yang sempit.

Pada tipe venturi tetap, diujung karburator dilengkapi dengan katup udara berbentuk kupu-kupu yang disebut sebagai throttle valve (katup gas), yaitu semacam cakram yang dapat berputar untuk menutup dan membuka pergerakan aliran udara sehingga dapat mengatur banyaknya campuran udara/bahan bakar yang masuk dalam ruang bakar. Banyaknya campuran udara/bahan bakar inilah yang menentukan besar tenaga dan/atau kecepatan gerak mesin. Pedal gas, atau pada sepeda motor, grip gas dihubungkan langsung dengan katup ini melalui kabel. Namun pada tipe venturi bergerak, keberadaan katup ini tidak ditemukan karena yang mengatur besarnya aliran udara/bahan bakar adalah ukuran venturi itu sendiri yang dapat berubah-ubah. Pedal atau grip gas dihubungkan dengan piston yang mengatur celah sempit dalam venturi

Bahan bakar disemburkan kepada aliran udara melalui saluran-saluran kecil yang terdapat dalam ruang sempit dalam venturi. Tekanan rendah dari udara yang bergerak dalam venturi menarik bahan bakar dari mangkuk karburator sehingga bahan bakar ini tersembur dan ikut aliran udara. Saluran-saluran ini disebut jet.

Buka gas dari langsam

Ketika handle gas dibuka sedikit dari posisi tertutup penuh, ada bagian venturi yang memiliki tekanan lebih rendah akibat tertutup katup yang sedang berputar. Pada bagian ini karburator menyediakan jet yang lebih banyak dari bagian lainnya untuk meratakan distribusi bahan bakar dalam aliran udara.