Tinjauan Pustaka
Perkembangan sistem kontrol internal combustion engineatau mesin pembakaran dalam selama 30 tahun terakhir menitikberatkan pada beberapa faktor, diantaranya penekanan pada efisiensi bahan bakar (Karagiorgis S. dkk, 2007).Peningkatan efisiensi bahan bakar pada mesin pembakaran dalam terutama pada mesin berbahan bakar bensin ada beberapa metode yang ditempuh.
Metode pertama dengan mengatur AFR pada mesin untuk pencapaian pembakaran optimal (sesuai stoichiometry) pada posisi AFR sekitar 14,67 serta metode ini telah dilakukan (Ebrahimi B. dkk,2012). Peneliti ini melakukan pengontrolan AFR pada spark ignition engine dengan menggunakan compensator
closed loop system dengan variasi time delay filter PID telah mampu
mengendalikan AFR sehingga efisiensi bahan bakar dapat ditingkatkan. Penelitian peningkatan efisiensi bahan bakar dengan kontrol AFR dapat juga dilakukan dengan optimalisasi algoritma genetik (Zhao J. dan Xu M., 2013). Perkembangan sistem kontrol AFR mengalami kemajuan cukup pesat, diantaranya pengembangan adaptive Radial Basis Function (RBF)neural network (Wang S.W. dkk,2006). Peneliti inimelakukan training mengunakan metode recursive least
squares untuk pendekatan modeling AFR dynamic pada SI engine. Hasilnya
dengan metode model predictive control ditambah metode Hessian mampu mengendalikan AFR dan menyelesaikan masalah optimasi nonlinear dengan lebih baik. Seorang ilmuan mengembangkan aplikasi real time pada original closed
loop individual cylinder untuk mengendalikan AFR sebagai dasar analisa spektral
signal sensor lamda (Cavina N. dkk, 2010). Lamda merupakan perbandingan antara AFR terori dengan AFR secara nyata. Aplikasi ini diukur pada exhaust
manifold engine 4 silinder dengan kapasitas 1.2 liter telah membuktikan hasil
menggembirakan, dengan hasil pengukuran lamda perbedaan kurang dari 0.01. Pengaturan kontrol AFR dengan metode penggunakaan algoritma Fuzzi PI (Jansri A. dan Sooraksa P., 2012). Algoritma Fuzzi PI melakukan control AFR pada sistem nonlinear dengan metode tracking. Perkembangan kontrol AFR merambat keaplikasi neural network (Zhai Y.J dan Yu D.L, 2009). Zhai dengan neural
networknya mencoba melakukan pendekatan adaptive RBF model, menjadi dasar model predictive control diterapkan pada engine.
Pengawasan kontrol AFR (Efimo V.D. dkk, 2014) dikembangkan dengan pendekatan sistem model off line menggunakan data experimental untuk menyelesaikan permasalahan stabilitas kontrol AFR dalam spark engine. Adaptive
FeedForward Controller (AFFC) dan Adaptive Posicast Controller (APC) (Yildiz
Y. dkk, 2010) diperkenalkan menjadi sebuah kontrol AFR.Adaptive FeedForward
Controller (AFFC) digunakan mensimulasikan kemampuan tracking, sedangkan Adaptive Posicast Controller (APC) digunakan mengontrol permasalahan AFR.
Hasil experimen Adaptive Posicast Controller (APC) menunjukkan hasil baik dalam menangani control AFR dalam spark ignition engine.
Perkembangan AFR selanjutnya tentang penyelidikan keefektifan adaptive
diagonal recurrent neural network (Zhai Y.J. dkk, 2010). Penelitiannya ini
menunjukkan hasil akurasi tinggi dan kemampuan baik untuk mengendalikan dinamika AFR yang diperoleh dari model predictive control (MPC), dibandingkan dengan PI control. Perbandingan kompresi pada mesin berpengaruh terhadap daya mesin, jika perbandingan kompresi melebihi nilai tertentu output mesin meningkat, kemudian mulai menurun dengan meningkatnya rasio relatif AFR (Ebrahimi, 2012). Perkembangan kontrol AFR mengarah dengan aplikasi lebih baik yaitu dengan sistem training (Arsie I. dkk, 2006), dalam mensimulasikan dinamika AFR, digunakan recurrent neural network dengan deskripsi dua formasi proses pencampuran pada SI engine. Seorang peneliti melakukan pengujian bahan bakar pada AFR untuk mengetahui pengaruh emisi gas buang pada SI
engine (Zervas E. dkk, 2004). Hasil pengujian menunjukkan bahwa campuran AFR yang paling ideal ketika mencapai pembakaran optimal terdapat kandungan exhaust gasmethane 5%, ethylene 19%, acetylene 11.4 %, propylene 5.4 %, butadiene 1.6 % dan benzene 5.8%.
Metode kedua dengan pengontrolan Spark Advance– SA dengan Artificial
Neural Network - ANN (Togun N.K. dan Baysec S., 2010a). Peneliti ini
melakukan prediksi terhadap torsi mesin dan pengereman konsumsi bahan bakar bensin secara spesifik dengan pengajuan pengapian dengan ANN. Selanjutnya peningkatan efisiensi bahan bakar dengan pengontrolan SA dengan Algoritma
Genetik - GA (Togun N.K.& Baysec S., 2010 b). Penelitian ini mengembangkan
formulasi kuat dengan GA dalam meningkatkan efisiensi bahan bakar bensin dengan pengajuan pengapian.
Metode ketiga dengan pengembangan kontrol hybrid (Kheir N. dkk, 2004). Peneliti inimenerapkan Fuzzy Logic Controller - FLC untuk meminimalkan ekonomi bahan bakar dan mengurangi emisi gas buang pada kendaraan hybrid. Hasil aplikasi FLC dengan 44 rules mampu meningkatkan efisiensi bahan bakar dan menurunkan emisi NOX dengan penyetelan trade off hybrid.
Metode keempat melalui pemanfaatan resource lain, diantaranya mempelajari variasi beberapa siklus pembakaran HCCL engine pada suhu udara masuk terhadap AFR dengan penambahan bahan ethanol pada engine 2 silinder. Hasil evaluasi siklus pembakaran HCCL engine terhadap penambahan bahan
ethanol dengan perubahan suhu udara masuk dan AFR ternyata berpengaruh
signifikan terhadap siklus pembakaran (Maurya R.K. dan Agarwal A.K., 2011; Wu T.S. dkk, 2004). Penambahan fuel treatment berpengaruh terhadap fuel air
ratio dan emisi exhaust gas (Zervas E. dkk, 2001). Hasil penyelidikan
menunjukkan ketika fuel hydrotreatment dikurangi komposisinya memberi pengaruh terhadap pengurangan polusi exhaut gas yaitu berupa penambahan komposisi exhaut gas yaitu perubahan methane, benzene, formaldehyde,
acetaldehyde, acroleine dan propionic acid.
Rasio panas tergantung pada temperature, campuran udara dan bahan bakarantara campuran yang terbakar dan campuran tidak terbakar (Ceviz, 2005). Implementasi fungsi reduksi panas, terutama yang berasal dari temperatur udara masuk hanya tergantung dengan spesifikasi rasio panas dibawah operasi kurus kerja mesin. Seorang peneliti melakukan pengamatandengan mengadakan pendekatan pengendalian sistem kontrol pada gasoline direct injection (GDI). Hasil penelitian menunjukkan rancangan pengendalian sistem kontrol dapat bekerja dengan hasil sangat baik, diantaranya torsi yang dihasilkan sangat efektif, kerja sistem yang kokoh, meminimalkan konsumsi bahan bakar (Gäfvert M. dkk, 2004).
2.1. Engine
Engine berbahan bakar bensin merupakan bagian dari internal combustion engine. Internal combustion engine adalah suatu mekanisme yang merubah energi
panas menjadi energi gerak dengan pemanfaatan pembakaran di dalam engine.
Internal Combustion Engine terbagi menjadi beberapa tipe yaitu gasoline engine, diesel engine dan jet engine. Gasoline engine atau spark ignition engine dapat
juga dikenal dengan mesin bensin. Gasoline engine merupakan mesin pembakaran dalam yang bekerja dengan pemanfaatan tenaga dihasilkan oleh hasil pembakaran bensin dengan udara.
2.2 Air to Fuel Ratio (AFR)
AFR merupakan perbandingan antara udara dengan bahan bakar / bensin
dengan perbandingan tertentu. AFR secara ideal memiliki perbandingan 14,67 : 1 (Robert, 2002; Wang S.W. dkk,2006). Kondisi ini memiliki karakteristik yaitu pembakaran dalam engine yang paling optimal, performa engine baik, dan emisi
gas buang rendah (Heywood, 1988). Perbandingan 14,67 : 1 memiliki arti yaitu
perbandingan antara 14,67 satu satuan udara dan 1 satu satuan bahan bakar. AFR pada engine kendaraan dinyatakan dengan simbol lamda (λ). Lamda (λ) adalah jumlah udara / jumlah syarat udara menurut teori. Lamda (λ) =1 adalah jumlah udara masuk ke dalam silinder engine sama dengan jumlah syarat udara dalam teori. Lamda (λ)< I jumlah udara yang masuk lebih kecil dari jumlah syarat udara dalam teori, pada situasi ini engine kekurangan udara, campuran gemuk, dalam batas tertentu dapat meningkatkan daya engine. Lamda (λ)> 1 jumlah udara yang masuk lebih banyak dari syarat udara teoritis, saat ini engine kelebihan udara, campuran kurus dan daya kurang. Lamda (λ) > 1,2 dalam situasi seperti ini campuran bahan bakar dan udara sangat kurus sehingga pembakaran dimungkinkan tidak dapat terjadi pada tempat yang lebih luas. AFR campuran kurus yang aman pada mesin saat berputar pada putaran rendah secara umum yaitu tidak melebihi 21:1, namun batas maksimal campuran kurus yang diijinkan 22:1 (Aleiferis P.G. dkk, 2004).
2.3 Brake System
Sistem rem / brake system merupakan sistem yang penting dari suatu kendaraan. Sistem rem berfungsi sebagai alat pengaman pada kendaraan yang didesain untuk mengurangi kecepatan dan menghentikan kendaraan. Pada sistem rem, secara umum tenaga pengereman diperoleh dari gaya gesek brake shoes pada bidang gesek yang berputar bersama-sama dengan roda.
Prinsip kerja sistem rem yaitu merubah energi gerak menjadi energi panas. Gaya pengereman bekerja berdasarkan sistem gabungan penekanan melawan sistim gerak putar. Efek pengereman diperoleh dari adanya gesekan antara dua benda yang menimbulkan panas. Tipe-tipe rem berdasarkan penggunaanya yaitu rem kaki (foot brake). Tipe ini dioperasikan menggunakan kaki untuk mengontrol kecepatan dan menghentikan kendaraan. Rem parkir (Parking Brake) untuk menahan kendaraan supaya tidak mudah bergerak pada saat parkir. Rem tambahan
(auxiliary brake) untuk membantu rem kaki, umumnya digunakan pada kendaraan
besar dan berat .
Teknologi hybrid kendaraan menginjeksikan sistem rem untuk digunakan meningkatkan efisiensi bahan bakar melalui state of charging. Ketika kendaraan direm generator akan melakukan charge battery dalam jumlah besar, sehingga
battery cepat terisi. Dengan kondisi battery terisi maka motor listrik dapat
menggerakkan kendaraan dalam waktu lebih lama. Teknologi hybrid dalam proses pengontrolan performance engine dilakukan dengan tiga rule base pada Gambar 2.1. Rule braking mengkondisikan engine melakukan charge battery saat kendaraan dilakukan proses pengereman. Rule optimal fuel economy mengkondisikan motor listrik memutar engine pada kendaraan kecepatan rendah. Kinerja yang dihasilkan motor lisrik berpengaruh terhadap konsumsi bahan bahar.
Rule performance bekerja ketika engine membutuhkan tenaga besar, misalnya
saat kendaraan menanjak, akselerasi maupun membawa muatan banyak. Ketiga
rule base bekerja secara bergantian mengikuti alur kerja engine, baik ketika
Gambar 2.1 Rule Base splitbraking system dalam kendaraan hybrid (Kheir N. dkk, 2004).
2.4 Sistem kontrol
Sistem kontrol adalah suatu sistem yang digunakan untuk mengelola input sehingga mewujudkan suatu kerja /output. Sistem kontrol yang sering digunakan ada beberapa tipe yaitu sistem kontrol open loop dan sistem kontrol closed loop. Sistem kontrol closed loop sangat sesuai untuk menangani permasalahan sistem
nonlinear tinggi dan sistem time delay yang terjadi pada engine pembakaran
dalam.
Sistem kontrol closed loop dalam kontrol engine merupakan sistem yang memberikan umpan balik dari output yang diolah menjadi refensi input. Sistem kontrol open loop maupun closed loop berkontribusi untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan emisi gas buang. Demikian juga dalam mengontrol sistem
engine untuk mengendalikan torsi menggunakan torque feedback.
a. Sistem nonlinear
Sebuah sistem dapat dikendalikan jika sistem yang terjadi berupa sistem linear. Fenomena engine pembakaran dalam yang terjadi berupa sistem nonlinear. Pendekatan yang perlu dilakukan dalam permasalahan ini yaitu dengan permodelan nonlinear (Togun N.K. dkk, 2012).
2.4.2 Fuzzy logic
Fuzzy Logic diperkenalkan oleh Prof.Lotfi Zadeh dari Universitas California
di Berkeley pada tahun 1965 dan dipresentasikan bukan sebagai suatu metode sistem kontrol. Logika fuzzy adalah cara yang tepat / mudah untuk memetakan
input-output didasari oleh konsep himpunan fuzzy, diantara input dan output
Gambar2.2 Struktur umum fuzzy logic(JangR.S.J. dkk, 1997).
Sistem blackbox terdapat proses yang tidak diketahui, cara ini dapat didekati dengan pendekatan sistem logika fuzzy. Hampir setiap kasus, cara fuzzy lebih cepat dan lebih mudah. Struktur umum fuzzy logic terlihat dalam Gambar 2.2. Sistem fuzzy logic dapat menyelesaikan permasalahan komplek, digunakan untuk meningkatkan stabilitas output yang terjadi pada sistem nonlinear (Guerra T.M. dkk, 2006). Logika fuzzy merupakan sebuah aplikasi sistem persamaan matematika yang diterapkan pada sistem untuk menyelesaikan permasalahan dengan metode himpunan. Bentuk persamaan umum penyajian logika fuzzy, sebagai berikut:
Perkembangan saat ini fuzzy logic controller sudah mengarah ke metode
Multi Input Multi Output (MIMO). Hal ini memungkinkan fuzzy logic control
dapat bekerja dengan berbagai kondisi.
2.5 Programmable Logic Controller
Programmable Logic Controller (PLC) adalah sistem kontrol elektronik
yang didesain untuk pemakaian di lingkungan industri dan beroperasi secara digital. PLC dapat juga berfungsi sebagai komputer elektronik yang mudah digunakan, memiliki fungsi sebagai sistem kendali untuk berbagai tipe dan tingkat kesulitan beragam. Sistem ini menggunakan memori yang dapat diprogram untuk penyimpanan secara internal, sedangkan fungsi lainya sebagai penyimpan instruksi yang mengimplementasikan fungsi-fungsi spesifik logika, sequencing,
timing, menghitung dan aritmatika untuk mengendalikan mesin (Bolton, 2006) } | )) ( , {(x x x X A A
dan operasi aritmatik untuk mengontrol engine atau proses melalui modul-modul
I/O digital maupun analog. PLC selain dapat digunakan untuk pengendalian
sistem otomasi industri, dapat juga dimanfaatkan untuk mengendalikan engine
diesel satu silinder (Ergenç A.T. dan Koca D.O., 2014).
2.6 Sensor
Sensor merupakan elemen yang menghasilkan sinyal berhubungan dengan
kuantitas diamati atau diukur. Sensor dapat dikatakan sebagai alat untuk memberikan tanggapan terhadap besaran fisik yang akan diukur dengan menghasilkan output suatusinyal. Alat ini berupa seperangkat perlengkapan elektronik yang berfungsi untuk mengetahui besaran fisik yang diubah menjadi besaran listrik.
2.6.1 Manifold Absolute Pressure Sensor (MAP)
MAP merupakan sensor digunakan untuk mengukur kevakuman di dalam intake manifold. Sensor ini bekerja dengan mendeteksi perubahan tekanan vakum
di dalam intake manifold. Perubahan tekanan dalam intake manifold yang terjadi diubah menjadi sinyal listrik yang akan diterima oleh Electronic Control Unit
(ECU). Informasi yang diterima ECU kemudian digunakan menghitung jumlah
aliran udara intake manifold. Perkembangan selanjutnya dari sensor MAP berubah menjadi sensor MAF (Mass Air Flow Sensor). Model – model MAF memiliki beberapa macam diantaranya model air flow meter dalam Gambar 2.3.
2.6.2 Cam Shaft Position sensor (CMP)
CMP adalah sensor engine yang digunakan untuk mendeteksi putarankerja engine. Sensor ini terpasang pada distributor dalam sistem ignition pada gasoline engine, dengan adanya sensor CMP, ECU akan mengirimkan jumlah bahan bakar
yang diinjeksikan sesuai dengan putaran engine.
2.6.3 Throtle Position Sensor (TPS)
TPS merupakan sensor untuk mengetahui posisi pembukaan throttle valvep
ada kendaraan kendaraan. Sensor ini menjadi salah satu input utama dalam ECU.
TPS pada mesin sesungguhnya dipasangkan pada throttle valve. Prinsip kerja sensor ini seperti tahanan geser atau variable resistor yang digunakan untuk
mengendalikan signal tegangan.
2.6.4 Transmission position sensor
Transmission position sensor berfungsi untuk mengetahui posisi transmisi
kendaraan. Sensor ini memberikan switching terhadap kerja pengontrolan ECU.
2.7 Fuel injection
Fuel injection merupakan suatu metode pencampuran udara dan bahan
bakar. Bahan bakar disemprotkan dalam engine melalui intake manifold berdasarkan kondisi engine. Fuel injection merupakan sistem memiliki beberapa komponen diantaranya injector. Komponen ini seperangkat peralatan elektronik yang menyemprotkan bahan bakar ke engine. Model – model fuel injection berdasarkan jumlah injector.
2.6.1 Single Point Injection System
Single point injection system disebut juga Throttle Body Injection (TBI).
Sebuah injector terletak di throttle body pada intake manifold, bensin disemprotkan ditengah - tengah intake manifold untuk menyuplai kebutuhan
2.6.2 Multi Point Injection
Multi Point Injection System mempunyai injector pada setiap saluran untuk
menyuplai bensin pada masing silinder. Bensin disemprotkan ke masing-masing saluran pada intake valve sesuai dengan kebutuhan air fuel ratio yang direkomendasikan. Model - model fuel injection berdasarkan penempatan
injectornya.
a. Indirect injection system
Sistem menyemprotkan bahan bakar ke intake manifold seperti yang digunakan pada sistem penginjeksian gasoline engine, bensin disemprotkan tidak langsung ke dalam ruang bakar.
b. Direct Injection system
Model direct injection system, bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam ruang bakar. Sistem penginjeksian langsung ini sebagaian besar digunakan pada sistem injeksi engine diesel.
2.6.3 Injection engine
Injection engine atau dikenal istilah mesin injeksi merupakan salah satu
bagian dari kendaraan yang berfungsi sebagai penggerak. Injection engine memiliki sistem bahan bakar yang diinjeksikan langsung ke engine. Proses pencampuran bahan bakar dengan udara pada injection engine sebagian besar terjadi di intake manifold, namun pada tipe tertentu proses pencampurannya langsung terjadi di ruang bakar. Sebagian besar mesin kendaraan menggunakan mesin tipe jenis ini. Kelebihan mesin ini memiliki efisiensi tinggi, performance optimal dan emisi exhaust gas rendah. Kerja sistem injection engine mengacu pada kondisi AFR stoichiometry, adapun nilai AFR yang menjadi acuan injection
engine berkisar 14,7. Kondisi AFR stoichiometry injection engine bekerja pada
kondisi paling optimal. Mesin menggunakan sensor - sensor untuk mendeteksi dinamika bagian-bagian engine. Sensor bekerja untuk membangkitkan sinyal yang digunakan sebagai input ECU. ECU berfungsi untuk mengontrol proses operasi bahan bakar terhadap dinamika yang terjadi pada sistem engine, selanjutnya ECU memerintahkan actuator bekerja sesuai dengan beban yang terjadi pada engine.