LAPORAN AKHIR
INSENTIF SISTEM INOVASI NASIONAL (SINAS) TAHUN 2015
IDENTITAS :
RT-2015-0328
Judul Topik Penelitian
Pengembangan Sistem Kontrol Pengapian Dan Sistem
Deceleration Fuel Cut Off
Pada Kendaraan Bi-Fuel
Untuk Mendukung Program Konversi Bahan Bakar Gas
Bidang Prioritas Iptek : TEKNOLOGI TRANSPORTASI
Jenis Insentif Riset : RISET TERAPAN (RT)
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAGELANG
Kampus I : Jalan Tidar No. 21 Magelang 56126 Telpon (0293) 362082 Fax. (0293) 361004
Kampus 2 : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5 Mertoyudan Magelang 56172 Telp. (0293) 326945
ii
LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN
1. Judul topik penelitian : Pengembangan Sistem Kontrol Pengapian Dan Sistem Deceleration Fuel Cut Off Pada Kendaraan Bi-Fuel Untuk Mendukung Program Konversi Bahan Bakar Gas
2. Bidang Prioritas Iptek : Teknologi Transportasi 3. Jenis Insentif Riset : Riset Terapan (RT)
4. Lokasi penelitian : Laboratorium Mesin Otomotif
Universitas Muhammadiyah Magelang. 5. Nama Peneliti Utama : Muji Setiyo,ST, MT
6. Nama Lembaga/ Institusi
: Lembaga Penelitian Pengembangan dan Pengabdian Masyarakat (LP3M)
Universitas Muhammadiyah Magelang 7. Unit Organisasi : Divisi Penelitian dan Pengembangan
Pendidikan
Universitas Muhammadiyah Magelang 8. Alamat : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5
Mertoyudan Magelang 56172 Telp. (0293) 326945 Fax. Pesawat 111
9. Telepon/HP/Fax/e-mail : 081328648046 // e-mail :
setiyo.muji@gmail.com
Magelang, 28 November 2015 Kepala Divisi Penelitian dan Pengembangan
Pendidikan
Universitas Muhammadiyah Magelang
Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd NIDN. 0626046902
Ketua Peneliti,
Muji Setiyo, ST, MT NIDN. 0627038302
iii RINGKASAN
Kegiatan penelitian meliputi proses pembuatan prototipe modul kontrol waktu pengapian (ignition timing) un tuk kendaraan bi-fuel LPG/bensin dan sirkuit pemutus aliran LPG saat deselerasi (deceleration fuel cut off). Kedua modul ini telah berhasil diintegrasikan dalam satu rangkaian terpadu. Serangkaian hasil pengujian pada chassis dynamometer menunjukkan bahwa kontrol tegangan MAP sensor (yang berarti mengubah waktu pengapian) memiliki pengaruh besar pada torsi dan tenaga mesin. Dalam mode operasi LPG dan tanpa kontrol dari MAPS Feedback, output mesin sangat rendah. Hal ini jelas terlihat bahwa daya maksimum yang dihasilkan hanya 61,5 hp @ 5045 rpm, sementara mode bensin mampu menghasilkan 75,4 hp @ 5.049 rpm. Ada penurunan dari 14,5%. Selain itu, dalam kecepatan mesin di bawah 2000 rpm, ada penurunan daya yang signifikan. Jika umpan balik MAPS diturunkan menjadi 1,2 volt, tenaga mesin maksimum meningkat menjadi 68,6 hp @ 5.414 rpm. Hasil yang baik diperoleh pada umpan balik MAPS V: 1,0 dan V: 0,8 dengan perolehan daya yang hampir berhimpit, tapi V: 0,80 lebih baik dari V: 1,0 (selisih 4 % dari daya mode operasi bensin).
iv
KATA PENGANTAR
Puji syukur dipanjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas nikmat dan karunia-Nya kegiatan Riset Sinas yang berjudul “Pengembangan Sistem Kontrol Pengapian Dan Sistem Deceleration Fuel Cut Off Pada Kendaraan Bi-Fuel Untuk Mendukung Program Konversi Bahan Bakar Gas” ini dapat diselesaikan dengan baik.
Kegiatan penelitian ini telah menghasilkan propotipe yang telah didaftarkan paten dengan nomor S00201507905 dan satu publikasi internasional yang masih dalam proses revisi.
Pelaksanaan penelitian ini dibantu dan didukung oleh sejumlah pihak. Oleh karena itu diucapkan terimakasih kepada :
1. Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd. selaku Kepala Divisi Penelitian Dan Pengembangan Pendidikan Universitas Muhammadiyah Magelang , yang telah memberikan pengarahan selama pelaksanaan kegiatan penelitian.
2. Oesman Raliby, ST, M.Eng dan Saifudin, ST, M.Eng yang telah membantu tim peneliti selama proses monitoring dan evaluasi internal. Akhir kata semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak terkait, dan koreksi maupun saran sangat diharapkan untuk penyempurnaannya.
Magelang, November 2015
Muji Setiyo, ST, MT NIDN. 0627038302
v DAFTAR ISI
LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN ... ii
RINGKASAN ... iii
KATA PENGANTAR ... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Tujuan ... 3
1.3. Sasaran ... 3
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 4
2.1. Tinjauan Pustaka ... 4
2.1.1. Karakteristik LPG sebagai bahan bakar kendaraan ... 4
2.1.2. Masalah perbedaan kecepatan pembakaran ... 5
2.1.3. Masalah emisi dan efisiensi bahan bakar ... 8
2.2. Kerangka Konsep Penelitian ... 9
BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT ... 10
2.1. Tujuan ... 10
2.2. Daya ungkit... 10
2.3. Keunggulan dan manfaat kegiatan riset ... 10
BAB 4 METODE ... 11
4.1. Pendekatan masalah dan metode penyelesaian ... 11
4.2. Road map penelitian ... 12
vi
BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 14
5.1. Hasil Penelitian dan Pembahasan ... 14
5.1.1. Sirkuit Pengubah Saat Pengapian ... 14
5.1.2. Sirkuit Deceleration Fuel Cut Off ... 15
5.1.3. Rangkaian Terintegrasi ... 16
5.2. Prototipe ... 17
5.3. Pengujian Prototipe ... 17
5.4. Hasil pengujian ... 19
BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN... 22
6.1. Kesimpulan ... 22
6.2. Saran ... 22
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan Properti Fisik LPG, CNG, dan Bensin ... 4 Tabel 5.1 Spesifikasi mesin ... 18
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Grafik penyesuaian pengapian pada mesin LPG ... 5
Gambar 2.2 Timing Advance Proccesor ... 7
Gambar 2.3 ElectronicSpark Advance Variators ... 7
Gambar 2.4 Konstruksi diafragma dan lever vaporizer ... 8
Gambar 2.3 Kerangka Konseptual Penelitian (Outline Riset) ... 9
Gambar 4.1 Diagram blok sistem kontrol yang direncanakan ... 11
Gambar 4.2 Road map Penelitian ... 12
Gambar 5.1 Sirkuit pengubah saat pengapian ... 14
Gambar 5.2 Sirkuit deceleration fuel cut off ... 15
Gambar 5.3 Sirkuit terintegrasi ... 16
Gambar 5.4 Sirkuit terintegrasi ... 17
Gambar 5.5 Proses Intergrasi ke ECU ... 17
Gambar 5.6 Converter Stefanelli 150 HP ... 18
Gambar 5.7 Set Up Pengujian ... 19
Gambar 5.8 Hasil uji keseluruhan ... 20
1
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Liquefied Petroleum Gas (LPG) merupakan bahan bakar yang memiliki nilai
oktan tinggi (108-112) dan memiliki sifat kunci yang diperlukan untuk jenis
Spark-Ignition (SI) Engine (Werpy, 2010). LPG menghasilkan menghasilkan
emisi yang lebih rendah daripada bensin (Mockus, 2006), (Mandloi, 2010), dan (Shankar, 2011). Kandungan toxin (racun) dari LPG termasuk yang paling rendah dari semua bahan bakar otomotif tersedia secara komersial saat ini. Selain itu, efek gas rumah kaca dari LPG umumnya lebih rendah dibandingkan dari bensin, diesel dan beberapa bahan bakar alternative (World LP Gas Association, 2012).
Pemanfaatan LPG sebagai bahan bakar kendaraan sudah menjadi kebijakan energi dibeberapa Negara seperi Turki, Polandia, Jepang, dan Korea Selatan. Saat ini, ada lebih dari 25 juta kendaraan LPG digunakan sebagai kendaraan yang lebih ramah lingkungan dengan lebih dari 70.000 stasiun pengisian bahan bakar (WLPGA, 2014).
Namun demikian, program konversi Bahan Bakar Minyak (BBM) ke Bahan Bakar Gas (BBG) baik LPG maupun CNG masih belum menggeliat. Salah satu kendala dalam pengembangan angkutan umum barbahan bakar gas di Indonesia adalah infrastruktur berupa stasiun pengisian dan peralatan konversi (converter kits) yang belum optimal. Model converter kits yang sesuai dengan kondisi angkutan umum di Indonesia adalah model vaporizer dengan alasan jangkauan yang lebih luas untuk setiap jenis mobil dan lebih sederhana (Werpy, 2010). Aliran gas pada model vaporizer dikendalikan oleh tingkat kevakuman mesin, belum dikendalikan elektronik seperti pada model sequential.
2
Permasalahan teknis muncul dilapangan saat angkutan umum beroperasi dengan sistem bifuel LPG-bensin, yaitu bahwa properti keduanya berbeda. LPG memiliki kecepatan pembakaran yang lebih rendah dari bensin, yaitu sebesar 0,82 m/s, sedangkan bensin 20 - 40 m/s (Propane Education & Research Council,2012). Permasalahan lain terjadi pada saat deselerasi, kevakuman yang tinggi menambah aliran gas dari vaporizer sehingga emisinya tinggi dan pemborosan gas sementara pada saat deselerasi tidak membutuhkan aliran gas. Converter kits model vaporizer belum dilengkapi dengan Gas Control Unit (GCU) seperti pada model sequential injection. Akibat dari hal ini adalah penurunan performa mesin dan efisiensinya rendah, Kerugian daya yang terjadi hingga mencapai 20 % (Osch, 2013). Hal ini menjadi salah satu alasan ketidaksuksesan program konversi.
Melihat fenomena diatas, salah satu upaya untuk menaikkan performa mesin pada saat mode operasi bensin adalah memajukan saat pengapian (ignition
timing) hingga 150 c.a dari kondisi standar (Bosch, 2010) dan (Setiyo, 2012).
Namun, jika ignition timing ditentukan fixed pada mode operasi LPG, akan menimbulkan knocking saat beroperasi dengan mode bensin. Kondisi lain juga menuntut adanya pemutusan aliran gas saat deselerasi untuk alasan efisiensi.
Konsep yang diusulkan dalam rancangan penelitian ini adalah mengembangkan sirkuit sistem kontrol yang bekerja secara otomatis mengubah ignition timing saat mode operasi bahan bakar berubah agar performa mesin saat beroperasi dengan bensin ataupun LPG tetap tinggi yang diintegrasikan dengan sistem kontrol untuk memutus aliran LPG saat deselesari untuk menghemat bahan bakar dan menurunkan emisi gas buang. Dengan demikian, luaran penelitian ini akan mendukung program konversi BBM ke BBG terutama untuk angkutan umum sehingga dapat mendukung sistem inovasi nasional dalam upaya mewujudkan sistem transportasi yang murah.
1.2. Tujuan
Tujuan dari penelitian ini untuk mengembangkan sistem kontrol yang bekerja secara otomatis untuk mengatur saat pengapian pada mobil Bi-fuel (saat mobil berpindah mode operasi bahan bakar) dan memutus aliran LPG (saat deselerasi) secara terintegrasi untuk meningkatkan performa dan efisiensi mobil Bifuel LPG/Bensin.
1.3. Sasaran
Sasaran dari penelitian ini memberikan kontribusi komponen kontrol pada unit converter kits dalam rangka mempercepat program konversi BBM ke LPG khususnya mobil penumpang dan angkutan umum, sehingga dapat mendukung sistem inovasi nasional dalam upaya mewujudkan sistem transportasi yang murah.
4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tinjauan Pustaka
LPG telah menjadi salah satu bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar minyak yang paling penting di sektor otomotif dunia. Di Eropa dan beberapa Negara, LPG yang secara khusus digunakan untuk bahan bakar kendaraan disebut dengan Autogas. Sementara, di beberapa Negara lain dikenal dengan LP Gas dan GPL. Di Indonesia, LPG untuk sektor transportasi dikenal dengan Liquified Gas Vehicle (LGV) atau vi-gas.
2.1.1. Karakteristik LPG sebagai bahan bakar kendaraan
LPG diperoleh dari hidrokarbon yang dihasilkan selama penyulingan minyak mentah dan dari komponen gas alam. Komponen LPG didominasi propana (C3H8) dan butana (C4H10). LPG juga mengandung hidrokarbon ringan lain dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6) dan pentana (C5H12) (Brevitt, 2002). Kandungan energi LPG sebesar 46.23 MJ/kg dan 26 MJ/l , sedangkan kandungan energi bensin sebesar 44.4 MJ/kg dan 34,8 MJ/l. Dibandingkan dengan bensin, LPG memiliki kandungan energi per satuan massa relatif tinggi, tetapi kandungan energi per satuan volumenya rendah (IEA ETSAP, 2010).
Tabel 2.1 Perbandingan Properti Fisik LPG, CNG, dan Bensin
LPG memiliki nilai oktan 112 yang memungkinkan untuk diterapkan pada mesin dengan perbandingan kompresi yang lebih tinggi sehingga memberikan efisiensi thermal yang lebih tinggi pula. Dengan harga LPG per satuan volume yang lebih rendah dari harga bensin (non-subsidi), biaya operasional mesin LPG lebih rendah dan memiliki karakteristik ramah lingkungan.
LPG memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan bensin. Konsumsi bahan bakar LPG per satuan volume lebih rendah daripada bensin. Distribusi gas pada tiap-tiap silinder lebih merata sehingga percepatan mesin lebih baik dan putaran stasioner lebih halus. Ruang bakar lebih bersih sehingga umur mesin meningkat. Kandungan karbon LPG lebih rendah daripada bensin atau diesel sehingga menghasilkan CO2 yang lebih rendah (R.R. Saraf, 2009).
Dari beberapa keunggulan di atas, aplikasi LPG sebagai bahan bakar kendaraan memiliki beberapa kelemahan diantaranya bahwa mesin berbahan bakar LPG umumnya menghasilkan daya yang lebih rendah daripada mesin bensin, penurunan daya yang terjadi sekitar 5% -10% (Ceviz & Yuksel, 2005). Mesin LPG juga memerlukan penyesuaian saat pengapian, komponen sistem pengapian dan kualitas sistem pengapian (Bosch, 2010).
2.1.2. Masalah perbedaan kecepatan pembakaran
Kecepatan pembakaran LPG sebesar 0,82 m/s, sedangkan bensin 20 - 40 m/s. Untuk menghasilkan pembakaran explosive yang sama, saat penyalaan (ignition timing) saat beroperasi dengan LPG harus dimajukan sekitar 15 derajat. Robert Bosch (2008), memberikan rekomendasi terkait dengan penyesuaian pengapian pada mesin bifuel LPG – bensin dengan memberikan ilustrasi pada gambar 2.1 berikut.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 10 20 30 40 50 60 Ignition voltage/ kV Ignition timing/ 0BTDC
Ignition voltage requirement approx 14 kV Electrode gap 1.0 mm
+ 15
LPG PETROL
6
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa terjadi perbedaan saat penyalaan sebesar 15 derajat antara LPG dengan bensin. Perbedaan kebutuhan pengapian inilah yang menjadi salah satu isu strategis yang akan diselesaikan dalam penelitian ini agar kendaraan dapat beroperasi dengan sama baik saat beroperasi dengan bensin atau LPG.
Studi yang terkait dengan pengajuan waktu pengapian untuk kendaraan berbahan bakar LPG diantaranya dilaporkan oleh Southwest Research
Institute (2014). Pengujian dilakukan dengan propana cair HD-5 pada mesin
Stock Ford Taurus 3.5 L V6 EcoBoost. Penelitian ini melaporkan bahwa waktu pengapian bisa maju sampai 20 derajat pada beban penuh dan tidak dijumpai gejala detonasi disepanjang pengujian. Efisiensi termal yang lebih baik ditunjukkan dengan waktu pengapian optimal. Sebelumnya, Lawankar (2012) juga telah mengidentifikasi secara rinci tentang kinerja mesin berbahan bakar LPG pada rasio kompresi yang berbeda dan waktu pengapian yang berbeda pula. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa waktu pengapian memiliki pengaruh pada efisiensi termal. Efisiensi terbaik ditemukan pada 20 oBTDC untuk bensin dan pada 30 oBTDC untuk LPG pada semua rasio kompresi yang diteliti.
Mengacu pada penelitian sebelumnya, informasi penting diperoleh bahwa mesin bi-fuel memerlukan dua kurva pengapian. Jika hanya tersedia satu kurva pengapian untuk mode bensin akan menyebabkan penurunan daya yang signifikan ketika dioperasikan dalam mode LPG. Sebaliknya, jika kurva pengapian mengacu pada mode LPG, akan terjadi knocking bila menggunakan bensin. Untuk mencapai hasil yang maksimal dalam kedua mode bahan bakar, kurva pengapian harus diubah mengikuti operasi bahan bakar. Kurva pengapian harus mampu bergeser maju atau mundur secara otomatis ketika operasi bahan bakar berubah, terutama ketika mesin melakukan akselerasi.
Cara terbaik untuk memastikan saat pengapian optimal untuk kedua bahan bakar adalah dengan membuat sistem pengapian dengan kurva ganda. Saat pengapian akan beralih secara otomatis ke pengaturan LPG atau bensin ketika saklar bahan bakar diaktifkan (Dimovski).
Upaya untuk menyesuaikan kurva pengapian di LPG/CNG dan bensin telah dilakukan oleh Tomov (2012). Sebuah Timing Advance Processor (TAP) diaplikasikan untuk memanipulasi sinyal dari koil pengapian (Gambar 2.2). Sinyal diproses lebih lanjut melalui perangkat ini sebelum diumpankan kembali ke ECU. Spark Advance Proccesor juga diselidiki oleh Edsan (2006), diuji pada mesin berbahan bakar CNG. Perangkat lain untuk mengendalikan kurva pengapian disebut Electronic Spark Advance Variators (ESAV) (AEB). Baik TAP dan ESAV bekerja berdasarkan sinyal dari koil pengapian. Kelemahannya, saat akselerasi dan berat beban, belum sepenuhnya diakomodasi.
Gambar 2.2 Timing Advance Proccesor
8
Berbeda dari TAP dan ESAV, penelitian ini menyajikan sebuah metode untuk mengubah kurva pengapian berdasarkan informasi dari Manifold Absolute
Pressure Sensor (MAPS) untuk diterapkan dalam mesin bi-fuel yang masih
menggunakan model converter dan mixer. Perangkat ini disebut Simple
Electronic Spark Advance Module (SESAM). MAPS mengirimkan umpan
balik bervariasi dari 4,5 volt pada 101 kPa (kontak "ON", mesin tidak berjalan, dan di permukaan laut) dan 0,5 volt pada 20,1 kPa. Pada kecepatan idling, tegangan output berkisar 1,4-1,5 volt. Tegangan output dari MAPS ini linear dengan tekanan manifold. Namun, tekanan manifold tidak linear dengan putaran mesin. Studi Massi (2012) menunjukkan bahwa tekanan manifold cenderung membentuk kurva parabola. Ini berarti bahwa kurva pengapian yang terjadi tidak akan membentuk garis lurus.
2.1.3. Masalah emisi dan efisiensi bahan bakar
Saat deselerasi, kevakuman mesin meningkat,sehingga aliran LPG ke mesin menjadi besar. Sementara itu, pada kondisi ini mesin tidak membutuhkan bahan bakar. Akibatnya terjadi pemborosan LPG. Melihat konstruksi dari diafragma dan lever vaporizer, LPG tetap mengalir ke mesin saat deselerasi. Gambaran tentang konstruksi diafragma dan lever vaporizer disajikan dalam gambar 2.4 berikut.
2.2. Kerangka Konsep Penelitian
Out line riset dijabarkan dalam kerangka konseptual sebagai berikut :
TEMA PENELITIAN
Pengembangan Sistem Kontrol Pengapian Dan Sistem
DecelerationFuel Cut Off Pada Kendaraan Bi-Fuel
PERMASALAHAN PADA MOBIL BI-FUEL LPG/BENSIN DENGAN SISTEM PEMASUKAN MODEL MIXER
1. Perbedaan properti antara LPG dan bensin khususnya karakteristik kecepatan pembakarannya. 0,82 m/s untuk LPG, dan 20 - 40 m/s bensin.
2. Tidak memungkinkan untuk menyetel ignition timing setiap kali berpindah mode bahan bakar. 3. Emisi yang tinggi dan pemborosan
gas saat deselerasi karena faktor kevakuman mesin yang tinggi sementara pada saat deselerasi tidak membutuhkan aliran gas
TUJUAN
Meningkatkan performa mesin dan efisiensi konsumsi bahan bakar untuk mendukung program
konversi bahan bakar gas
METODE
Membuat suatu model kontrol pengapian dan mekanisme
pemutus aliran gas (sirkuit elektronik) yang bekerja secara
otomatis menyesuaikan mode operasi bahan bakar dan mode
operasi mesin
DATA
1. Kurva pengapian
2. Tekanan intake manifold; 3. Posisi throttle valve; 4. Tekanan atmosfer; 5. Putaran mesin PENGUJIAN Uji perilaku mesin pada beberapa mode operasi bahan bakar OUTPUT Managemen sistem pengapian dan aliran gas OUTCOME 1. Publikasi 2. HKI PARAMETER Torsi, Daya, Fuel consumption (alat: dynamometer)
10
BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT
2.1. Tujuan
Tujuan dari penelitian ini untuk mengembangkan sistem kontrol yang bekerja secara otomatis untuk mengatur saat pengapian pada mobil Bi-fuel (saat mobil berpindah mode operasi bahan bakar) dan memutus aliran LPG (saat deselerasi) secara terintegrasi untuk meningkatkan performa dan efisiensi mobil Bifuel LPG/Bensin.
2.2. Daya ungkit
Dengan riset ini, akan mempercepat pemanfaatan LPG sebagai bahan bakar kendaraan umum. Pertama, persepsi ketidaknyamanan dengan bahan bakar LPG dapat direduksi dengan sistem kontrol otomatis pengubah saat pengapian sehingga tidak perlu melakukan penyetelan. Kedua, konsumsi bahan bakar dapat ditingkatkan (hemat) dengan mekanisme pemutusan aliran bahan bakar saat mesin tidak memerlukan. Muara dari riset ini untuk meningkatkan kesejahteraan masyarakat.
2.3. Keunggulan dan manfaat kegiatan riset
a. LPG tersedia didaerah, sehingga secara teknis dapat dikembangkan untuk angkutan umum secara merata sampai keluar pulau jawa, sambil menunggu pembangunan infrastruktur oleh pemerintah.
b. Model sistem kontrol yang dikembangkan menjamin performa mesin tetap optimal saat mesin beroperasi dengan bensin atau LPG, sekaligus dapat meningkat konsumsi (hemat) bahan bakar.
c. Pelibatan mahasiswa dalam pelaksanaan riset ini secara langsung meningkatkan jumlah dan kualitas suberdaya manusia ahli bidang bahan bakar gas.
11
BAB 4 METODE
4.1. Pendekatan masalah dan metode penyelesaian
Dari paparan permasalahan dan tujuan riset, dapat dilakukan pendekatan masalah dan metode penyelesaiannya sebagai berikut ;
a. Mekanisme pengubah saat pengapian (ignition timing) saat mesin berpindah operasi dari bensin ke LPG atau sebaliknya dapat diatur berdasarkan informasi data kevakuman mesin dari MAP sensor. Tegangan balik dari MAP sensor ke ECU dimanipulasi melalui mekanisme kontrol elektronik dan outputnya disuplai ke ECU untuk memajukan atau mengundurkan saat pengapian.
b. Mekanisme pemutus aliran LPG saat deselerasi dibuat berdasarkan informasi data kevakuman mesin dari MAP sensor dan data puran mesin dari speed sensor. Kedua input data ini diolah melalui sistem kontrol elektronik dan outputnya disuplai kembali ke ECU untuk mengendalikan solenoid pada vaporizer.
Untuk mengintegrasikan kedua mekanisme sistem kontrol tersebut perlu dibuat sirkuit terpadu dengan diagram blok rangkaian kontrolnya sebagai berikut.
12
12 4.2. Road map penelitian
Lingkup penelitian ini terdiri dari tiga tahapan yaitu tahap desain sirkuit, tahap pembuatan prototype; dan tahap pengujian prototype. Pengujian simulasi dilakukan pada unit dynamometer dan pengujian riil dilaksanakan pada kondisi lingkungan yang sebenarnya melalui uji jalan (road test).
Gambar 4.2 Road map Penelitian
MULAI 1. Telaah teknologi yang sudah
ada dan penelusuran artikel ilmiah.
2. Observasi data (Kurva pengapian; Tekanan intake
manifold; Posisi throttle valve; Tekanan atmosfer; Putaran mesin).
Ide teknologi
1. Formulasi konsep (mekanisme pengubah derajat pengapian dan pemutus aliran).
2. Simulasi DESAIN PENELITIAN STUDI PENDAHULUAN PEMBUATAN PROPTOTIPE
Managemen rekayasa, pemilihan komponen, serta Pembuatan prototype.
Pengujian prototype pada berbagai mode bahan bakar dan perilaku mesin dengan parameter ukur Torsi, Daya, Emisi, dan Fuel consumption menggunakan prosedur pengujian baku. PENGUJIAN PROTOTIPE PADA DYNAMOMETER
Uji coba prototype pada berbagai variasi perilaku mesin, pada kondisi simulasi dan kondisi kerja sebenarnya PEMASANGAN PROTOTIPE KE MESIN PENYAJIAN HASIL
PENELITIAN Analisis data hasil pengujian,
pembahasan, dan publikasi.
SELESAI
ALUR
PENELITIAN KEGIATAN PENELITIAN OUTPUT
Aplikasi konsep Prototipe Data uji Publikasi dan HKI
4.3. Peralatan penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :
1) Alat bantu desain sirkuit ( Livewire-pro ) 2) Peralatan produksi ( Electronic equipment )
3) Alat uji ( Chassis Dynamometer, Engine gas analyzer) 4) Olah data dan analisis ( Microsoft office dan Livewire-pro)
14
BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN
5.1. Hasil Penelitian dan Pembahasan 5.1.1. Sirkuit Pengubah Saat Pengapian
Sirkuit pengubah saat pengapian yang telah disimulasikan pada software live wire pro adalah sebagai berikut.
Gambar 5.1 Sirkuit pengubah saat pengapian
Cara kerja sirkuit :
Pada saat fuel selector dipindah dari mode bensin ke LPG, sinyal dari MAP sensor tidak lagi digunakan untuk mengendalikan jumlah bahan bakar yang diinjeksikan. Hal ini karena jumlah LPG yang terhisap ke mesin melalui pengaturan kevakuman diafragma pada vaporizer. Sinyal output dari MAP sensor dimanipulasi oleh sirkuit IC 1 dan IC 2 untuk diubah nilainya (diturunkan). Hasil olahan dari sirkuit ini diumpankan balik ke ECU. Dengan demikian, tegangan output dari MAP sensor akan lebih rendah. Hasilnya, saat pengapian akan dimajukan beberapa derajat (sesuai stelan yang diinginkan). Nilai ini dapat diatur dengan mengubah nilai tahanan pada resistor variabel VR 1.
Saat mode operasi dipindahkan kembali dari LPG ke bensin, relay RL 2 akan membuka dan menghubungkan kembali output MAP sensor ke ECU.
Hasilnya, saat pengapian akan dikembalikan ke kondisi standar. Dengan sirkuit ini, perbedaan kecepatan pembakaran antara bensin dan LPG dapat diakomodasi pada saat mobil berpindah mode bahan bakar.
5.1.2. Sirkuit Deceleration Fuel Cut Off
Sirkuit deceleration fuel cut off yang telah disimulasikan pada software live wire pro adalah sebagai berikut.
Gambar 5.2 Sirkuit deceleration fuel cut off
Cara kerja sirkuit :
Sinyal putaran mesi (NE signal) diubah menjadi tegangan dalam rangkaian F to V. Output tegangan dari rangkaian ini menjadi input dalam sirkuit fuel cut off. Saat katup ga menutup (TPS 0%), dan putaran mesin tinggi (diatas 2000 rpm) ini menandakan mesin dalam kondisi deselerasi. Pada kondisi ini, arus utama ke solenoid LPG diputus. Arus utama ini akan kembali terhubung jika putaran mesin terbaca kurang dari 2000 rpm (bisa diatur) atau katup gas membuka.
Dengan sirkuit ini, saat deselerasi tidak akan terjadi aliran LPG ke mesin. Hasilnya adalah penghematan bahan bakar dan pengurangan emisi.
16
Parameter pengukurannya adalah dalam kg/km untuk konsumsi bahan bakar dan dalam g/km untuk emisi gas buang.
5.1.3. Rangkaian Terintegrasi
Dalam bentuk utuh, rangkaian pengubah saat pengapian dan rangkaian
deceleration fuel cut off disajikan dalam gambar 5.5 berikut.
Gambar 5.3 Sirkuit terintegrasi
Dalam penelitian ini, dua sirkuit yang berbeda (pengubah saat pengapian
dan deceleration fuel cut off) diintegrasikan dalam satu sirkuit terpadu.
Keduanya dapat disetel sesuai dengan karakteristik mesin. Tujuan pengintegrasian ini adalah untuk mendapatkan daya, konsumsi bahan bakar, dan emisi yang optimum secara bersamaan.
5.2. Prototipe
Gambar 5.4 Sirkuit terintegrasi
5.3. Pengujian Prototipe
1. Persiapan dan proses pengintegrasian ke ECU
Gambar 5.5 Proses Intergrasi ke ECU
2. Persiapan kendaraan uji dan dynamometer
Mesin yang digunakan dalam penelitian ini adalah Toyota 5A FE yang dimodifikasi menjadi sistem bi-fuel. Converter yang digunakan adalah Stefanelli 150 HP. Mesin spesifikasi dan converter disajikan pada Tabel 4.1dan Gambar 5.6 berikut.
18
Tabel 5.1 Spesifikasi mesin Engine
manufacturer
: Toyota
Engine code : 5A-FE Cylinders : Straight 4 Capacity : 1498 cc
Bore × Stroke : 78.7 × 77 mm
Valve mechanism : DOHC, 4 valves per
cylinder, 16 valves in total Maximum power output : 77 kw @ 6000 rpm Maximum torque : 135 Nm @ 4800 rpm Compression ratio : 9.8:1
Fuel system : EFI
Gambar 5.6 Converter Stefanelli 150 HP
Dalam studi ini, Chassis dynamometer tipe Hofmann dynatest® pro - 260 kW digunakan untuk menguji daya pada menu "Program P-Max". Mobil dilakukan aksererasi penuh dari berhenti sampai kecepatan maksimum dengan mengubah gigi dengan cepat. Setelah tingkat daya maksimum telah terlampaui, kopling terlepas dan mobil dipacu. Nilai-nilai yang diukur dibaca dalam bentuk grafik.
Tegangan referensi pada kecepatan idling adalah sekitar 1,4 volt. Ketika pemilih bahan bakar digeser ke "LPG", RL2 aktif sehingga tegangan dari sensor MAP akan diproses melalui sirkuit. Ketika modus operasi digeser ke "Bensin", RL2 menjadi non-aktif, tegangan dari sensor MAP akan dipasok langsung ke ECU.
Melalui sirkuit ini, tegangan output dari sirkuit ditetapkan pada 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; dan 1,4 volt. Pengumpulan data dilakukan setiap tiga kali dan diambil yang terbaik. Torsi dan tenaga mesin dicatat 1500-6000 rpm.
Gambar 5.7 Set Up Pengujian
5.4. Hasil pengujian
Serangkaian tes menunjukkan bahwa kontrol tegangan MAP sensor (yang berarti mengubah waktu pengapian) memiliki pengaruh besar pada torsi dan tenaga mesin (gbr. 5.8). Dalam mode operasi LPG dan tanpa kontrol dari MAPS Feedback (V: 1,4), output mesin sangat rendah (kurva 5). Hal ini jelas terlihat bahwa daya maksimum yang dihasilkan hanya 61,5 hp @ 5045 rpm, sementara mode bensin mampu menghasilkan 75,4 hp @ 5.049 rpm (kurva 6). Ada penurunan dari 14,5%. Selain itu, dalam kecepatan mesin di bawah 2000 rpm, ada penurunan daya yang signifikan.
Jika umpan balik MAPS diturunkan menjadi 1,2 volt (kurva 4), tenaga mesin maksimum meningkat menjadi 68,6 hp @ 5.414 rpm, atau hanya berbeda 9% dari mode operasi bensin. Mesin menunjukkan kinerja yang baik pada rpm tinggi, tetapi masih kurang di rpm rendah. Hasil yang baik diperoleh pada umpan balik MAPS V: 1,0 dan V: 0,8 (kurva 3 dan 2) dengan perolehan daya yang hampir berhimpit, tapi V: 0,80 lebih baik dari V: 1,0. Meskipun daya maksimum belum bisa menyamai mesin bensin. Hasil ini sesuai dengan teori yang diberikan oleh Bosch.
20
Ketika tegangan umpan balik diturunkan lagi menjadi 0,6 Volt (kurva 1), daya maksimum adalah malah menurun. Informasi tambahan diperoleh bahwa rugi daya dengan penambahan sirkuit ini hanya hanya 4%.
Gambar 5.9 Hasil uji pengaruh penggunaan sirkuit yang dikembangkan
Sementara itu, untuk modul deceleration fuel cut off, baru dilaksanakan uji simulasi pada livewire-pro. Hasilnya, modul ini terbukti mampu memutus aliran LPG posisi Throtle Position Sensor (TPS) pada bukaan 0% (tertutup penuh) sementara putaran mesin masih terbaca diatas 2000 rpm. Tingkat pemutusan aliran LPG pada rpm tertentu dapat diatur dengan mengubah nilai potensio meter yang ada dalam rangkaian.
22
BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN
6.1. Kesimpulan
Sebuah sirkuit untuk mengontrol waktu pengapian mesin bi-fuel mampu menghasilkan kinerja yang baik dalam dua mode bahan bakar, LPG dan bensin. Ketika mesin beroperasi dalam modus LPG, perubahan tegangan umpan balik MAP sensor dari 1.4V ke 1,0V memiliki pengaruh yang cukup besar, meskipun dalam kisaran 1.0V ke 0.6V menunjukkan hasil yang hampir sama. Pada saat deselerasi, melalui rangkaian deceleration fuel cut off mampu menghentikan aliran LPG ke mesin selama beberapa saat. Pemutusan bahan bakar dapat diatur dalam rentang putaran mesin 1500 sampai 2500 rpm. Ini akan menghasilkan penghematan bahan bakar.
6.2. Saran
Sementara ini, untuk mengaplikasikan prototipe ini pada kendaraan dilakukan dengan mengkoneksikan pada wiring hardness. Kedepan, akan dikembangkan model yang dapat dikoneksikan pada soket DTC (Diagnosis
23
DAFTAR PUSTAKA
Bosch. (2010). LPG Spark Plugs. Road Claiton Vic: Robert Bosch (Australia) Pty Ltd.
Brevitt, B. (2002). Alternative Vehicle Fuels. SCIENCE AND ENVIRONMENT SECTION. London: House Of Commons Lybrary.
Ceviz, M., & Yuksel, F. (2005). Cyclic variations on LPG and gasoline-fuelled.
Renewable Energy , 1950-1960.
Dimovski, Kathy. General Information - Ignition timing for engines converted
to run on LPG. http://www.acl.com.au/. [Online] Automotive
Components Limited. [Cited: 4 September 2015.] http://www.acl.com.au/web/acl00056.nsf/0/359683e8a538a3e64a2566 c0007bb33e?OpenDocument.
Dziubinski, M., Walusiak, S., & Pietrzyk, W. (2007). Testing Of An Ignition System In A Car Run On Various Fuels. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln , 97-104.
IEA ETSAP. (2010, April). Automotive LPG and Natural Gas Engines.
Technology Brief T03 .
Kazimierz Lejda, A. J., Lejda, K., & Jaworski, A. (2007). Start of Liquid LPG Sequential Injection Influence on The Selected Useful and Ecological Parameters of SI Engine. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln , 145-146. S.M.Lawankar and L.P.Dhamande (2012), “Comparative Study of
Performance of LPG Fuelled Si Engine at Different Compression Ratio and Ignition Timing”, International Journal of Mechanical Engineering
and Technology, 3(4), pp. 337-343.
Mandloi, R. (2010). Long Term Continuous Use Of Auto- LPG Causes Thermal Pitting In Automotive S. I. Engine Parts. International Journal
of Engineering Science and Technology , 2(10), 5907-5911.
Masi, M. (2012). Experimental analysis on a spark ignition petrol engine fuelled with LPG (liquefied petroleum gas). Energy, 41, pp. 252-260. Md. Ehsan. (2006). Effect Of Spark Advance On A Gas Run Automotive
Spark Ignition Engine. Journal of Chemical Engineering , 24 (1), pp. 42-49.
Mijo Autogas. (t.thn.). Dipetik Agustus 21, 2013, dari http://www.mijoautogas.co.in/: http://www.mijoautogas.co.in/lpg-components.htm
Mockus, S. (2006). Analysis Of Exhaust Gas Composition Of Internal Combustion Engines Using Liquefied Petroleum Gas. Journal Of
Environmental Engineering And Landscape Management , 16-22.
Osch, H. V. (2013). Technique-LPG-Instalatie. Dipetik April 10, 2013, dari http://www.chaosboyz.nl/:
http://www.chaosboyz.nl/rubriek/techniek/techlpg.htm
R.R. Saraf, S. a. (2009). Comparative Emission Analysis of. International
24
Rohmat, T. A., & Saptoadi, H. (2003). Pengaruh Waktu Penyalaan Terhadap Kinerja Spark-Ignition Engine Berbahan Bakar LPG. MEDIA TEKNIK , 68-73.
Saraf, R., Thipse, S., & Saxena, P. (2009). Comparative Emission Analysis of Gasoline/LPG Automotive Bifuel Engine. International Journal of Civil
and Environmental Engineering , 199-202.
S.M.Lawankar and L.P.Dhamande (2012), “Comparative Study of Performance of LPG Fuelled Si Engine at Different Compression Ratio and Ignition Timing”, International Journal of Mechanical Engineering
and Technology, 3(4), pp. 337-343.
Southwest Research Institute (2014), How Propane Autogas Can Enable
High Efficiency Engine, From
http://www1.eere.energy.gov/cleancities/pdfs/patf14_ross.pdf.
Tesla Technologies. (t.thn.). Dipetik Agustus 20, 2013, dari http://www.tesla-tech.com/lpg_kit.htm: http://www.tesla-tech.com/lpg_kit.htm
Tomov, O. (2012). Timing Advance Processor for Internal Combustion Engine Running on LPG/CNG. 51 (3.2), pp. 184-187.
World LP Gas Association. (2012). Autogas Incentive Policies, A country-by-country analysis of why and how governments encourage Autogas and what works.
World LP Gas Association. (2014). Autogas Incentive Policies, A country-by-country analysis of why and how governments encourage Autogas and what works.
Lampiran. Log book penelitian
Lampiran. Log book penelitian
Lampiran. Log book penelitian
Lampiran. Log book penelitian
