Engine Electrical
Hak Cipta oleh Hyundai Motor Company. Alih bahasa oleh Training Material & Development. Buku ini tidak boleh diperbanyak tanpa persetujuan dari Hyundai Motor Company.
http://training.hmc.co.kr [email protected]
Kata Pengantar
Peralatan listrik pada kendaraan bisa diibaratkan sama dengan sistem urat syaraf pada manusia, bila ada kesalahan pada peralatan tersebut akan dapat mengakibatkan kerusakan pada kendaraan. Karena itulah, diperlukan pengetahuan dasar mengenai peralatan elektrik. Sekarang ini, struktur mekanis sudah menjadi semakin rumit untuk dapat memenuhi program perlindungan pencemaran lingkungan dari gas berbahaya, sejak itu diadakan pergantian dari yang menggunakan sistem mekanis menjadi sistem elektrik untuk meningkatkan performa kendaraan. Karena banyaknya pengetahuan tentang kelistrikan, maka kita harus selalu memperluas pengetahuan dan perkembangan peralatan elektrik yang dipakai pada kendraan. Materi yang diberikan pada buku ini hanya berisi engine electrical secara umum. Untuk data lebih rinci anda dapat melihat buku pedoman shopmanual.
Daftar Isi
1. Battery
1.1 Prinsip kerja battery ··· 7
1.2 Tujuan penggunaan battery ··· 7
1.3 Jenis-jenis battery ··· 8
1.4 Struktur lead-acid battery, cara kerja charging dan discharging ··· 9
1.5 Bermacam karakter lead-acid battery ··· 16
1.6 Umur lead-acid battery ··· 20
1.7 Mengganti lead-acid battery ··· 20
1.8 MF battery ··· 24
2. Starting System 2.1 The principles and kinds of the DC motor ··· 25
2.2 Start motor ··· 29
2.3 Structure and operation of the start motor ··· 30
2.4 Starting-system trouble diagnosis ··· 42
3. Charging System 3.1 Tujuan charging system ··· 45
3.2 Arus single phase alternating dan arus 3-phase alternating ··· 45
3.3 Direct current alternator ··· 48
3.4 Alternating current alternator ··· 52
3.5 Alternator regulator ··· 56
4. Ignition System 4.1 Maksud dari sistem pengapian··· 61
4.2 Sistem pengapian dgn kontrol komputer ··· 63
4.3 DLI (Distributor less Ignition) ··· 75
4.4 Performa sistem pengapian··· 80
5. The Micro 570 analyzer 5.1 Key pad ··· 83
5.2 Prosedur pengetesan battery ··· 83
5.3 Prosedur Pengetesan starter··· 85
MEMO
1. Battery
1.1 Prinsip Kerja Battery
Battery adalah suatu alat electrochemical yang dapat merubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi kimia kelistrikanm, yang kelompokkan menjadi primary cell dan secondary cell.
1.1.1 Primary Cell
Ketika pelat tembaga dan pelat seng dicelupkan ke dalam laturan asam sulfur, maka seng itu akan melebur oleh menjadi ion seng (Zn++) yang mempunyai muatan listrik positive (+), karena itulah muatan listrik negative (-) akan dikumpulkan dari pelat seng-nya. Kemudian Ion hydrogen (H+) akan bergerak ke pelat tembaga karena adanya daya tolak dari ion seng. Karena itulah, ion hydrogen akan memberikan muatan positive (+) ke pelat tembaga, sehingga pelat tembaga tersebut akan mempunyai muatan positive. akibatnya, akan timbul perbedaan tegangan antara pelat seng dan pelat tembaga.
Dengan menghubungkan beban external (resistor) antara pelat tembaga dan pelat seng, maka aliran listrik akan mengalir dari pelat tembaga ke pelat seng melalui beban external. Dengan menggunakan alat ini, energi kimia akan dirubah ke energi listrik. Untuk primary cell, setelah sekali arus ini dikeluarkan, maka arus tidak dapat diisi kembali (recharged).
Fig. 1-1. Prinsip Kerja Primary cell
1.1.2 Secondary Cell
secondary cell umumnya disebut sebagai storage battery, yang dapat mengembalikan kembali fungsi battery dengan cara pengisian kambali setrum yang telah dikeluarkan. Pada kendaraan secondary cell ini adalah yang paling banyak digunakan. Pada saat beban listrik dihubungkan ke terminal battery, maka akan dihasilkan tegangan melalui reaksi kimia antara pelat electrode electrolyte di dalam battery.
digunakan untuk electrolyte, lead peroxide digunakan untuk pelat positive (anode) dan pure lead digunakan untuk pelat negative (cathode).
Fig. 1-2 Prinsip Kerja Lead-acid Battery
1.2. Maksud Pemakaian Battery
Battery dapat membuat energi listrik dan energi kimia melalui penggunaan material pelat electrode dan electrolyte (disebut dengan discharging). Battery juga dapat menyimpan energi listrik ke dalam energi kimia (disebut dengan charging). hal-hal yang diperlukan sebuah battery adalah sebagai berikut.
Ukurannya harus kecil, ringan dan tahan lama. Tahan terhadap gunjangan dan mudah dikontrol.
Mempunyai kapasitas yang besar dan harganya cukup murah.
Fungsi battery untuk kendaraan harus bisa mengikuti kondisi sebagai berikut ;. Harus bisa mensuplai seluruh peralatan listrik yang ada pada kendaraan.
Apabila alternator mengalamai kerusakan, battery harus bisa dipakai sebagai sumber listrik pada saat kendaraan melaju.
Harus dapat mengatur kesimbangan antara output dari alternator dan beban pemakain. Namun begitu, battery bukanlah merupakan sumber utama untuk peralatan elektrikyang ada pada kendaraan. Ada satu tambahan peran lagi ketika mesin dihidupkan dan pada saat output elektrik pada alternator lebih kecil dari output battery. Untuk itulah, hal yang paling penting diperlukan dari peran battery adalah untuk menghidupkan mesin secara optimal.
1.3 Jenis - Jenis Battery
Battery yang banyak dipakai pada kendaraan adalah tipe secondary cell (storage battery atau galvanic battery) yang memungkinkan untuk dapat mengeluarkan dan mengisi kembali muatan listriknya.
1.3.1 Lead-Acid Battery
positive (+), discharge lead (Pb) sebagai pelat electrode (cathode) negative (-) dan larutan asam belerang (H2SO4) sebagai electrolyte. Kelebihan dan kelemahannya adalah sebagai berikut.
(1) Kelebihan lead-acid battery
Tingkat bahayanya lebih sedikit dibandingkan dengan jenis lainnya, karena reksi kimianya terjadi dalam temperatur ruangan.
Dapat diandalkan dan harganya juga relatif murah. (2) Kelemahan lead-acid battery
Energinya sekitar 40Wh/kgf, lebih rendah dari yang lainnya.
Umurnya kurang tahan lama dan memerlukan waktu pengirisan kembali yang lebih lama.
1.3.2 Alkali Battery (Ni-Cd Battery)
Ada dua battery alkalin yaitu Ni-Fe battery dan Ni-Cd battery. Di-nickel-hydroxide [2NiO(OH)] dan iron (Fe) digunakan pada Ni-Fe battery dan di-nickel-hydroxide [2NiO(OH)] dan cadmium (Cd) digunakan pada Ni-Cd battery sebagai pelat anode (+) dan pelat cathode (-). Untuk electrolyte digunakan potassium hydroxide (KOH). Electrolyte digunakan hanya untuk menggerakkan electrons bukan untuk reaksi kimia untuk proses charging dan discharging, sehingga gravitasnya harus tidak berubah. Penutupnya terbuat dari lembar baja yang dilapisi oleh nikel atau plastik.
Besarnya tegangan sekitar 1.2V per cell, dan tegangan dalam keadaan diisi adalah sekitar 1.35V per cell. Tegangannya akan turun ke 1.1V pada saat dipakai, namun akan meningkat kembali sampai ke 1.4~1.7V pada saat diisi kembali. Kelebihan dan kekurangan battery alkalin adalah sebagai berikut .
(1) Keuntungan battery alkalin
Tahan terhadap beban berat seperti over charging, over discharging dan tahan lama. Mempunyai performa discharging yang baik.
Mempunyai densitas output yang besar. Usianya tahan lama (10~20 tahun). Waktu pengisian cepat.
(2) Kelemahan battery alkalin
Densitas energinya rendah, sekitar 25~35Wh/kgf.
Biaya metal yang digunakan untuk electrode sangat mahal. Agak sulit untuk diproduksi massal.
1.4 Struktur lead-acid battery serta proses kerja charging dan discharging 1.4.1 Struktur lead-acid battery
Komposisi dasar lead-acid battery ada dua macam metal electrode yang mempunyai karakteristik ionisasi dan electrolyte yang berbeda. Ada perbedaan tegangan listrik antara anode (+) dan cathode (-). Seperti tampak pada gambar Fig 1-3, ketika beban listrik dihubungkan diantara elektroda ini, maka arus listrik sekwensial akan mengalir dari elektroda (+) yang mempunyai tegangan listrik besar ke elektroda (-) yang tegangan listriknya lebih kecil melakui reaksi kimia antara elektroda dan elektrolit.
Fig. 1-3. Skema dasar diagram lead-acid battery
Lead-acid battery yang digunakan pada kendaraan, anode yang digunakan adalah lead peroxide (PbO2), discharge lead (Pb) digunakan untuk cathode dan larutan asam belerang (H2SO4) digunakan untuk elektrolit. Sebenarnya untuk memperoleh energi listrik yang besar dengan volume yang sekecil mungkin, maka area pelat elektroda yang berisi elektrolit harus bisa sebesar mungkin. Untuk mewujudkannya, pelat elektroda hendaknya adalah kumpulan pelat yang terdiri dari banyak pelat tipis yang disusun sejajar. Gabungan pelat elektroda anode dan cathode dipasang saling berhadapan satu sama lainnya.
Fig 1-4. Struktur penyimpanan battery (1) Pelat Elektroda
discharge lead pada pelat anode dan cathode, secara respek setelah serbuk lead atau serbuk lead oxide powder merekat dengan larutan asam belerang maka dia akan menyebar pada pelat metal-alloyed grid, dikeringkan dan berubah bentuk.
Fig. 1-5. Pelat Elektroda
Grid (jaringan) harus mudah untuk ditangani, mempunyai konduksitas yang baik dan mekanismenya cukup kuat, kompatibel beraksi dengan material dan mempunyai ketahanan yang tinggi terhadap asam. Umumnya grid terbuat dari alloy untuk lead (Pb) dan antimony (Sb). Lead peroxide, berwarna coklat gelap, mudah melekat oleh elektrolit karena dia mudah menyerap, namun begitu, mudah terkoyak dari pelatnya karena mempunyai ikatan molekul energi yang lemah. Gischarge lead, pelekatnya berwarna abu-abu, tidak mudah terkoyak dari susunan grid karena energi ikatannya cukup kuat dan reaktif, namun demikian, partikel dari sebuknya harus tersebar begitu battery digunakan sehingga sifat menyebapnya berkurang. Begitu partikel kristal pada lead peroxide terkoyak dari pelatnya atau daya lekat pada pelat negatif dikurangi, maka kapasitas dari battery akan berkurang; dan pada akhirnya usianya juga akan lebih pendek. Pelat anode sifatnya lebih aktif sehingga pelat cathode terdiri dari lebih dari satu plate untuk menaikkan kapasitas dan melindungi pelat negatifnya.
(2) Separator
Separator disisipkan diantara jejeran pelat anode dan cathode untuk mencegah agar tidak terjadi short. Apabila pelat elektroda mengalami short karena kerusakan seperator, maka energi listrik yang diisi pada battery akan bocor keluar.
Bahan yang dipakai untuk separator adalah resin fiber yang diperkuat, karet atau plastik yang mempunyai daya serap kecil. Permukaan separator yang berulir menghadapke anode electrode untuk melindungi karat dari lead peroxide dan mempercepat penghamburan. Persyaratan yang harus dipenuhi oleh separator adalah sebagai berikut.
Bukan konduktor.
Mudah menyerap untuk mempercepat penaburan elektrolit.
Mekanismenya harus cukup kuat dan dan tidak mudah berkarat oleh elektrolit. Tidak menimbulkan bahaya terhadap elektroda.
(3) Kumpulan Pelat (Plate Group)
Plate group terbuat dari sekumpulan elektroda dan separator, elektroda yang dilas dengan potongan penyambung dan dihubungkan ke kutup terminal (+) untuk pelat anode dan kutup terminal (-) untuk pelat cathode.
ga akan naik.
K
n sodium carbonate dan air atau air ammonia untuk membersihkan kotak dan tutup battery.
Fig. 1-6. Plate group
lah untuk mengeluarkan oxigen atau gas hydrogen yang dihasilkan dari bagian dalam battery.
Satu kelompok pelat yang dibuat dengan cara ini disebut dengan satu cell. Untuk penyimpanan battery sebesar 12V, memerlukan enam cell dalam satu kotak yang dihubungkan oleh konektor secara serial. Setiap cell dapat menghasilkan gara electromotive sebesar 2.1~2.3V. begitu jumlah cell-nya ditambah, maka permukaan area yang kontak dengan elektrolit juga akan meningkat , sehingga kapasitas battery ju
(4) Battery Case
otak battery umumnya terbuat dari plastik resin. Untuk battery 12V, kotaknya dibagi menjadi enam sektor yang berisi enam cell. Pada bagian bawah masing-masing cell, terdapat elemen kosong untuk mencegah terjadinya short yang mungkin terjadi akibat bongkahan atau deposit yang timbul dari reaksi material yang lepas dari pelat. Gunaka
(5) Cover & Vent plug
Cover battery juga terbuat dari plastik resin dan dilekatkan ke kotak battery untuk melindungi agar udara atau uap lembab tidak masuk ke dalam. Dibagian tengah cover, ada lubang untuk untuk menginjeksikan elektrolit atau air sulingan dan menyisipkan spoid untuk mengukur gravitasi atau thermometer, dan tutup ventilasi (vent plug) untuk menutup lubang ini. Disitu juga ada lubang kecul dekat vent plug yang gunanya ada
Fig. 1-7. Struktur vent plug (6) Elektrolit
Elektrolit adalah larutan asam belerang yang mempunyai tingkat kemurnian tinggi melalui pencampuran alir sulingan dengan asam belerang. Elektrolit menyimpan energi ketika battery di-charged dimana terjadi kontak antara elektrolit dengan pelat elektroda, dan akan mengeluarkan energi listriknya ketika battery dipakai. Elektrolit juga berperan sebagai arus litrik di dalam cell. Gravitasi elektrolit adalah sekitar 1.280 pada saat battery diisi penuh dengan suhu 20 derajat celcius, dan dipakai sebabai nilai standar.
Dengan gravitasi standar, konditivitas belerangnya berada pada angka tertingi. Ketika battery dipakai penuh, nilai gravitasinya adalah sekitar 1.050. Sebenarnya, elektrolit battery mempunyai gravitasi yang lebih tinggi dari angka standarnya, untuk menaikkan gaya electromotive dan menurunkan tahanan internal pada saat battery digunakan. Proses pembuatan elektrolit adalah seperti berikut.
Vessel harus merupakan insulator (seperti ebonite atau plastic) ketika elektrolit tercampur. Asam belerang tercampur ke air sulingan secara perlahan. Rasio campuran air sulingan dan asam belerang adalah (1.400) 60% dan 40%.
Percampurannya dilakukan secara perlahan dengan cara mengaduknya dan kemudian didiamkan sejenak.
Pengaturan gravitasi pada elektrolit untuk 1.280 adalah 20 derajat celcius.
1.4.2 Cara kerja charge dan discharge pada lead-acid battery
Discharge (pemakaian) terjadi pada saat beban listrik antara (+) kutup terminal (-) terminal mengalirkan arus. Dan sebaliknya,untuk mensuplai arus ke battery dengan menghudungkan sumber arus seperti recharge atau alternator disebut dengan charge (pengisian). Ketika battery dipakai dan diisi, pelat anode (+) dan cathode (-) dan elektrolit bereaksi secara kimiawi. Karena itulah, proses charge dan discharge pada battery dilakukan oleh lead peroxide dari pelat anode, discharge lead dari pelat cathode dan larutan asam belerang. Reaksi kimia dari proses charge dan discharge pada battery adalah seperti berikut .
* Reaksi kimia proses charge
Anode Electrolyte Cathode Anode Electrolyte Cathode
PbO2 + 2H2SO4 + Pb • PbSO4 + 2H2O + PbSO4
Lead
peroxide sulfuric acid Dilute Discharge lead sulfate Lead Water Lead sulfate * Reaksi kimia proses discharge
Anode Electrolyte Cathode Anode Electrolyte Cathode
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 • PbO2 + 2H2SO4 + Pb
Lead
peroxide Water Lead sulfate peroxide Lead
Dilute sulfuric
acid
Discharge lead (1) Discharge Pada Lead-Acid Battery
Fig. 1-8 Reaksi kimia proses discharge
Lead peroxide pada pelat anode dirubah ke dalam bentuk air oleh kombinasi oxygen di dalam lead peroxide dengan hydrogen dari asam belerang elektrolit. Lead di dalam lead peroxide digabungkan dengan dengan larutan asam belerang ke bentuk lead sulfate.
Discharge lead pada cathode dirubah ke dalam bentuk lead sulfate sama seperti anode. Begitu proses discharge berlangsung, anode dan cathode dirubah menjadi lead sulfate dan elektrolit tambah dilarutkan lagi oleh penambahan air. Karena itulah, gravitasi elektrolit akan menjadi lebih rendah dan tahanan internal pada battery
akan meningkat, sehingga arus tidak mengalir begitu waktunya habis.
A. Gravitasi Elektrolit dan Status Discharge
Gravitasi elektrolit berkurang secara proporsional sesuai dengan besarnya pemakaian setrum. Pada figure 1-9 terlihat perubahan gravitasi berdasarkan jumlah setrum yang dikeluarkan dari 1.280, angka dengan status terisi penuh, 1.080, the angka untuk status discharged penuh. Dengan mengukur berat jenis elektrolit, bersarnya battery yang sudah dikeluarkan dapat diketahui.
lagi.
Jika sisa battery tidak dipakai dalam jangka waktu yang lama, amka elektroda bisa menjadi lead sulfate secara permane atau timbul bermacam kerusakan, sehingga battery tidak dapat digunakan
Jika berat jenisnya adalah 1.200 (20 derat celcius), battery harus diisi ulang (charged). Jika battery disimpan dalam jangka waktu yang lama, maka battery tersebut harus diisi kembali sedikitnya satu kali untuk 15 hari. Rumus untuk mendapatkan angka discharge berdasarkan berat jenisnya, adalah sebagai berikut.
Berat jenis full charged – Berat jenis hasil pengukuran
Discharge Rate (%)= X 100
Berat jenis full charged – berat jenis full discharged B. Konversi temperature pada berat jenis elektrolit
Berat jenis elektrolit berubah terhadap temperatur. Alasanya adalah karena volume asam belerang bisa menciut atau mengembang karena temperatur, sehingga berat volume unit berubah. Karena itulah, jika temperatur naik, berat jenis elektrolit akan turun, dan jika temperatu turun, maka berat jenis elektrolit akan naik. Variasinya adalah 0.0007 per 1derajat celcius. Karena itulah, ketika status charge dan discharge sudah ditentukan, berat jenisnya harus konversikan nilai standarnya (20derajat celcius). Berat jenis untuk standar temperatur ideal dapat diperoleh dengan rumus sebagai berikut.
Fig. 1-10 Ragam berat jenis berdasarkan temperatur elektrolit
S20 = St + 0.0007x(t-20)
Dimana, S20: Berat jenis dengan temperatur standar (20),
St: berat jenis pada saat diukur dengan temperatur t derajat celcius 0.0007: Koefisien temperature
t: Temperatur elektrolit pada saat mengukur berat jenis
C. Cara mengukur berat jenis elektrolit
Status charging pada battery dapat diketahui dengan mengukur berat jenis elektrolit (karena berat jenis akan lebih rendah begitu dilarutkan dengan laturan asam belerang yang dirubah ke air). Jenis alat untuk mengukur berat jenis ada beberapa macam seperti suction gravimeter pada gambar Fig. 1-11 dan optical refraction gravimeter yaitu pada gambar Fig. 1-12. Suction type gravimeter terdiri dari rubber bulb, tabung gelas yang mempunyai pelampung dan tabung penghisap. Untuk mengukur berat jenis, buka vent plug yang ada pada cover battery, masukkan tabung penghisap ke dalam lubang elektrolit, kemudian lihatlah skala dimana pelampungnya berhenti. Permukaan elektrolit yang kontak dengan pelampung dicembungkan oleh permukaan elektrolit, sehingga titik skalanya dapat dibaca.
Rubber bulb Suction tube Float Scale
Fig. 1-11 Suction type gravimeter
Lens (for magnifying the measuring scale)
Antifreeze Electrolyte
Measuring window
Fig. 1-12 Optical refraction gravimeter
Dan untuk tipe optical refraction gravimeter, buka light refraction cover, ambil beberapa elektrolit menggunakan batang pengukur, rekatkan ke gelas pengukur, tutup refraction cover, balikkan cover ke arah depan secara perlahan, lihat lensanya yang terdapat leveling gravimeter, kemudian baca titik skala batas antara sisi gelap dan terang.
(2) Charging pada lead-acid battery
external (charger atau alternator), reaksi material pada anode dan cathode dilarutkan ke dalam lead sulfate dan selama proses discharge berlangsung akan dirubah ke dalam lead dan sulfuric radicals.
Air sulingan dilarutkan ke dalam oxygen dan hydrogen. Sulfuric radical yang dilarutkan dari lead sulfate dipertemukan dengan hydrogen untuk membuat asam belerang yang pada akhirnya berubah menjadi asam belerang. Oleh karena itulah, densitas asam belerang meningkat dan berat jenisnya juga akan ikut naik. Kemudian pelat anode dikonversikan ke dalam lead peroxide dan pelat cathode konversikan menjadi discharge lead. Gambar 1-14 memperlihatkan kurva hubungan antara tegangan dan berat jenis elektrolit berdasarkan waktu pengisiannya (charging time).
Fig. 1-13 Chemical changes during the charge operation
Fig. 1-14 Grafik karakter charging
A. Changes of terminal voltage
Untuk mengisi battery dengan arus tetap, tegangan yang diaplikasikan ke terminal harus naik seperti tampak pada gambar Fig. 1-14. Pada saat permulaan proses charging, kurva naiknya tegangan tidak begitu tajam; namun diakhir proses charging, kurvanya meningkat tajam, jadi ketika tengannya mencapai sekitar 2.7V per cell dan tegangan terminal pada mencapai sekitar
16V, maka tengannya sudah mempunyai angka yang tetap. Diakhir proses pengisian, anode akan menghasilkan banyak oxygen dan cathode akan menghasilkan banyak hydrogen. Gas-gas ini menutup pelat-pelat dan selanjutnya tahanan internal akan meningkat. Karena itulah, agar arus dapat mengalalir konstan, tegangan terminal harus naik. Setelah proses pengisian selesai, hanya air sulingan lah yang menyerap oleh elektrolit, sehingga jumlah gas yang akan menjadi jenuh dan tegangan distabilkan. Tegangan terminal selama proses pengisian adalah sebagai berikut.
Et = Eo + Ic x r
Here, Et : Voltage yg dipakai ke terminal, Eo : Gaya Electromotive
Ic : Arus yang keluar r : Tahanan internal
Berdasarkan persamaan diatas, ketika proses pengisian dilakukan pada temperatur rendah diamana tehanan internalnya tinggi, maka tegangan terminalnya akan naik. Artinya adalah arus pengisian akan dikurangi, begitu temperaturnya rendah, ketika battery di-charged dengan arus konstan menggunakan charger atau alternator.
B. Pengisian battery pada yang dipasang pada kendaraan
Sumber listrik untuk battery yang dipasang di kendaraan adalah alternator yang terngan outputnya diatur oleh regulator untuk mengisi setrum battery dengan tegangan tertentu. Namun ada juga beberapa peralatn seperti seperti illuminators, wiper motor dan heater, sehingga alternator harus mengsuplai tenaga listrik ke alat ini dan battery pada saat yang bersamaan pada saat kendaraan berjalan. Jika mesin dalam keadaan idling, maka output dari alternator akan dikurangi. Kemudian, jika beban listriknya lebih tinggi dari output alternator, maka battery akan mulai mengeluarkan arusnya sebagai tenaga listrik ekstra untuk disuplai ke peralatan listrik. Dalam hal ini, jumlah arus yang diisi dan dipakai akan ditentukan oleh status pemakaian arus (kapasitas listrik yang disisakan) dan kondisi lainnya seperti setting tegangan, jenis beban, status running dan temperatur di luar. Pada saat alat pengisian kembali bekerja secara normal dan beban tidak overloaded, jika kendaraan secara terus-menerus dijalankan, battery akan di- charged dan rata-rata arus yang sedan diisi akan dikurang. 1.5 Ragam karakteristik lead-acid battery
1.5.1 Electromotive pada lead-acid battery Electromotive pada lead-acid battery adalah sekitar 2.1~2.3V per cell dan macamnya tergantung dari berat jenis dan temperatur elektrolit serta status discharging. Electromotive akan berkurang ketika temperatur elektrolitnya rendah. Alasanya adalah karena pada saat tersebut, reaksi kimia di dalam battery akan berlangsung secara perlahan dan
tahanan pada elektrolit akan naik.
Fig. 1-15 Hubungan antara electromotive dan berat jenis elektrolit
Fig. 1-16 Hubungan antara electromotive dan temperatur pada elektrolit
1.5.2 Final voltage
Tegangan terminal pada lead-acid battery akan turun sesuai dengan progres discharge karena tahanan internalnya naik. Terhadap angka yang dibatasi, tegangan terminalnya akan turun secara drastis. Jika proses discharge dilanjutkan dengan melebihi batasan angka ini, maka tegangannya akan terlalu rendah untuk dipakai dan performa battery akan berkurang. Angka batas ini disebut dengan final voltage atau test end voltage.
Penurungan tegangan pada battery ketika proses discharge dimulai, terjadi di lead sulfate pada permukaan pelat elektroda, yang merintangi elektrolit dari reaksi dengan pelat elektroda. Begitu discharge dilanjutkan, lead sulfate akan merintangi kontak pada elektrolit ke material elektroda. Dan pada akhirnya, proses discharge tidak dilakukan. Karena itulah tegangannya turun secara drastis.
Besarnya final voltage berbeda tergantung dari jenis battery. Umumnya adalah 1.7 ~ 1.8 (1.75) V per cell dan 10.5V (1.75 x 6) untuk battery 12V.
1.5.3 Kapasitas lead-acid battery
Kapasitas battery adalah kapasitas listrik, yang dapat di-discharged sampai tegangan terminalnya mencapai tegangan nominal final ketika battery yang sudah diisi penuh dipakai secara terus-menerus dengan arus tertentu. Elemen untuk menentukan kapasitas battery adalah ukurannya (atau area), ketebalan dan jumlah elektroda serta jumlah elektrolit. Satuan ukur untuk kapasitas battery adalah AH (Ampere Hour rate) yang diwakili oleh persamaan sebagai berikut.
Ampere Hour rate (AH) = Discharging current (A) X Continuous Discharging time till Final voltage (H)
(1) Hubungan antara pemakaian (discharge) dan kepasitas
Rata-rata pemakaian battery adalah sejumlah pemakaian arus yang mempengaruhi kapasitas battery secara langsung. Sebagaimana kapasitas battery yang diwakili oleh discharging current X discharging time, rata-rata discharging dapat diwakili oleh jumlah arus yang dipakai (disebut dengan current rate), atau discharging time (disebut time rate). Cara lain untuk untuk mewakili kapasitas battery adalah 20-Hour rate capacity, 25-Ampere rate dan Cold discharge rate.
A. Kapasita 20-Hour rate (atau 10-hour rate)
Kapasitas 20-hour rate adalah total arus yang dapat dipakai selama 20 jam (untuk 10-Hour rate, adalah selama 10 jam), yaitu ketika arus dipakai secara terus-menerus sampai final voltage pada cell mencapai 1.75V. metode ini dipakasi sebagai typical discharging rate.
Misalkan, 20-Hour rate 100AH capacity, artinya adalah perlu battery dapat digunakan secara secara kontinyu selama 20 jam dengan kapasias 5A sampai mencapai final voltage.
Fig. 1-18 Besarnya pakaian arus dan kapasitas battery
Kapasitas battery akan berkurang dengan cepat begitu arus yang dipakai besar. Alasanya adalah karena proses reaksi kimia lebih cepat dari penaburan elektrolit sehingga asam belerang yang diperlukan tidak cukup disuplai ke elektroda pada saat battery dipakai dengan arus yang besar (misalnya, ketika engine). Ketika proses pemakaian arus dilakukan dengan arus yang besar, sejumlah material elektroda digunakan hanya untuk reaksi kimianya saja, sehingga kapasitasnya akan berkurang. Dalam kasus ini, jika proses discharge dihentikan sementara, elektrolit dapat larut ke elektroda, proses discharge dapat dilanjutkan kembali. Kapasitas ini disebut dengan surplus capacity. Adalah pamakaian waktu untuk battery pada saat mesin dihidupkan dibatasi dalam waktu 10~15 detik sesuai dengan karakteristik reaksi
kimia pada battery.
Tabel ; Rata-rata discharge rate dan discharged current rate
Discharge Rate 20 Jam 10 Jam 5 Jam 3 Jam 1 Jam
Capacity (AH) 100 92 80 75 68
Amount of Discharged Current (A)
5 9.2 16.0 25.0 68.0
Discharged current Rate 1.0 1.84 3.2 5.0 13.6
B. 25-Ampere Rate
25-Ampere rate adalah waktu sampai cell mencapai 1.75V ketika arus battery dipakai (25A) pada suhu 26.6 derajat celcius. Ini cukup mewakili performa battery untuk mensuplai arus ke peralatan elektrik ketika alternator mengalami malfungsi.
C. Cold discharge rate
Cold discharge rate waktu yang diperlukan sampai tegangan yang ada pada cell turun ke 1V ketika battery digunakan dengan 300A pada -17.7 derajat celcius.
(2) Hubungan antara temperatur dan kapasitas di dalam elektrolit
Kapasitas battery umumnya ditentukan oleh temperatur elektrolit. Yaitu pada saat proses pemakaian arus beralangsung, jika temperaturnya tinggi, maka kapasitasnya juga tinggi, dan bila temperaturnya rendah maka kapasitasnya akan sedikit. Karena itulah, bila kapasitannya sudah ditentukan, temperatunya juga harus disebutkan. Dalam kondisi standar tempreaturnya adalah 25 derajat celcius (disini, temperatur standar pada berat jenis elektrolit adalah 20 derajat celcius).
Keterkaitan ini mempengaruhi pada saat mesin di-start pada saat musin hujan. Performa battery juga akan diatur oleh keterkaian ini. Jika temperatur elektrolit tinggi, maka proses reaksi kimianya akan cepat sehingga kapasitas battery akan meningkat.
y (3) Berat jenis elektrolit dan kapasitas
secara teori sudah jelas bahwa jumlah belerang pada elektrolit secara langsung terkait pada kapasitas. Selanjutnya, kapasitas beragam tergantung dari jumlah material elektrodanya, besar area dan besaran yang dipakai, ketebalan dan banyaknya pelat elektroda. Namun, jika kondisi material elektroda adalah sama, maka kapasitasnya ditentukan oleh berat jenis elektrolit.
(4) Macam kapasitas dan tegangan berdasarkan jenis koneksi batter A. Koneksi secara serial
Koneksi serial adalah penghubungan koneksi terminal (+) battery ke terminal (-) battery lainnya dimana dua battery atau lebih yang mempunyai kapasitas yang sama dihubungka satu sama lainnya. Tegangannya akan naik sebanyak battery yang dihubungkan; namun
B. Koneksi secara parallel
Koneksi parallel connection adalah menghubungkan terminal (+) pada dua battery dan terminal (-) ke dua battery, secara berurutan satu sama lainnya. Kapasitasnya akan naik sesuai dengan jumlah battery yang dihubungkan; namun, tegangannya sama seperti halnya dengan satu battery. Pada saat mesin di-start, jika mesi tidak bisa starting karena sterum battery hampir habis, maka perlu battery tambahan untuk membantu proses starting mesin. Pada saat tersebut, battery tambahan harus dihubungkan secara parallel ke battery aslinya. [Contohnya] jika tiga battery dengan spesifiaksi 12V-100AH dihubungkan secara serial, maka sepesifikasinya akan menjadi 36V-100AH; jika dihubungkan secara parallel maka spesifikasinya akan menjadi 12V-300AH.
Fig. 1-19 Jenis koneksi pada battery
1.5.4 Self-discharge pada lead-acid battery
Self-discharge adalah penomena dimana kapasitas battery akan berkurang dengan sendirinya apabila battery tersebut tidak dibiarkan tidak dipakai dalam jangka waktu yang lama. Alasan mengapa bisa terjadi self-discharge adalah sebagai berikut.
Material (discharge lead) pada pelat cathode bereaksi dengan belerang kemudian dikonversikan ke dalam lead sulfate dan menghasilkan gas hydrogen, yang terbentuk karena memang strukturnya adalah demikian.
Material asing seperti (lead (Pb), nickel (Ni) atau copper (Cu)) dialirkan ke elektrolit sehingga terbentuk lokalisasi cell dengan pelat cathode sehingga terjadi proses self-discharge. Additionally, another localized cell can be formed between the grid and the anode material (lead peroxide).
Material-material yang terlepas dari pelat akan menempel di bagian bawah dan samping case, atau separator yang rusak, sehingga pelat elektroda mengalami short yang pada akibatnya terjadi proses self-discharge.
Kebocoran arus melalui elektrolit atau debu yang menempel pada tutup battery juga salah satu penyebab terjadinya self-discharge.
Apabila battery tidak dipakai dalam jangka waktu yang cukup lama, mak kemungkinan battery tersebut akan mengalami self-discharge sampai over discharge. Jika battery mengalami over discharged, maka elektrodanya dapat berubah menjadi lead sulfate permanen sehingga battery tersebut tidak dapat digunakan kembali.
Besarnya self-discharge diwakili dalam persentase (%) dari kapasitas umum battery, yaitu 0.3~1.5% dari kapasitas aktual untuk 24 jam. Besarnya self-discharge berhubungan dnegan
hal sebagai berikut.
Besarnya self-discharge akan naik begitu temperatur dan berat jenis elektrolit dan kapasitas battery tinggi. Pada figure 1-20 terlihat bahwa besarnya self-discharge beragam yaitu 1.6 pert 1.280, dan 0.6 pert 1.200, dengan persamaan bahwa jumlah berat jenis adalah 1 per 1.240 (20derajt celcius).
Fig. 1-20 Berat jenis dan self-discharge
Semakin lama besarnya self-discharge akan bertambah, namun besarnya berkurang se iring dengan waktu yang lewat setelah proses pengisian.
Hubungan antara temperatur dan self-discharge adalah sebagai berikut.
Tabel temperatur elektrolit, besarnya self-discharging selama 24-jam dan besarnya penurunan berat jenis
Temperature (derajat celcius)
Besarnya Self-discharging (% per 24 jam)
Berkurangnya berat jenis (per 24 jam)
30 1.0 0.002
20 0.5 0.001
5 0.25 0.0005
1.6 Usia lead-acid battery
Seiring dengan bertambahnya waktu, performa battery akan berkurang, kapasitas battery akan berkurang dan besarnya discharge akan bertambah juga, dan pada akhirnya, battery akan tidak bisa digunakan kembali. Faktor utama yang mempengaruhi usia battery adalah material yang lepas dari elektroda. Begitu volume material ini membesar atau mengecil sesuai dengan proses pengisian dan pemakaian battery, lead peroxide yang tingkat perekatannya lemah akan lepas dengan mudah dari elektroda. Sipat menyerap (porosity) pada lead cathode akan
berkurang sehingga menyebabkan pengurangan waktu pakainya. Begitu juga, bertambahnya temperatur selama proses pengisian dan kurang perawatan merupakan faktor penyebab berkurangnya usia battery. Adapan penyebabnya adalah sebagai berikut.
Transformasi secara permanen ke dalam lead sulfate pada elektroda karena over discharge atau kekurangan charge.
Naiknya temperatur elektrolit karena over discharge.
Memburuknya separator dan elektroda serata keretakan grid. Ledakan elektroda karena kekurangan elektrolit.
Berat jenis elektrolit yang terlalu tinggi atau rendah. Ada benda asing yang mengalir di dalam elektrolit.
Adanya short atau material yang lepas pada elektroda di dalam case. 1.7 Pengisian lead-acid battery
1.7.1 Metode pengisian pada lead-acid battery
Battery yang kosong harus diisi kembali dengan arus langsung (DC) sehingga harus menggunakan charger rectifying (penyelaras) arus AC. Umumnya charger adalah silicon yang menggunakan silicon (Si) sebagai rectifier.
Figure 1-20 adalah diagram dasar charger yang terdiri dari transformer, rectifier dan voltage selection switch. Dalam gambar tersebut, AC adalah konektor ke arus alternatif. Disana terdapat transformer dan voltage selection switch untuk output tegangan DC sesuai dengan jumlah beban listrik yang dihubungkan ke terminal DC. Arus AC ditransfer ke rectifier melalui selection switch kemudian diterima oleh sirkuit rectifying yang terdiri dari 4 diod ke dalam bentuk single phase current. Pada terminal (+) dan (-)l, arus DC untuk charging adalah merupakan output.
Fig. 1-20 Diagram dasar sebuah charger
Cara penghubungan battery adalah dengan menghubungkan terminal (+) pada battery ke terminal (+) pada charger dan terminal (-) pada battery ke terminal (-) pada charger, dan untuk mengatur tegangan output-nya adalah dengan menggunakan selection switch. Untuk mengganti multiple batteries menggunakan satu charger pada saat yang bersamaan, ada serial charging dan parallel charging seperti tampak pada gambar Fig. 1-21.
Fig. 1-21 Metode penghubungan battery saat proses pengisian
(1) Serial charging
Batteries yang mempunyai kapasitas yang sama dihuubngkan seperti tampak pada gambar Fig. 1-21 (a) untuk melakukan pengisian pada saat yang bersamaan. Dalam hal ini, proses pengisian bisa dilakukan dengan arus ouput yang sama seperti pada satu cell. Namun begitu, begitu arus yang sama diberikan ke masing-masing battery, arus pengisian dapat dikontrol sesuai dengan status discharged masing-masing battery. Pada metode ini, banyaknya battery yang dapat dihubungkan ditentukan oleh besarnya tegangan pada charger.
Ketika jumlah battery yang dihubungkan ke charger sudah diputuskan, misalnya diperlukan 2.7V untuk satu cell battery, dengan tegangan battery 12V, maka minimal besarnya tegangan pada charger harus 16V. karena itulah, untuk charger yang mempunyai tegangan maksimal sebesar 75V, agar bisa mengisi battery 12V secara serial, jumlah battery yang harus dihubungkan adalah 4 buah.
(2) Parallel charging
Battery yang kapasitasnya atau status discharged berbeda dihubungkan seperti tampak pada gambar 1-21 (b) untuk dipakai mengisi battery. Disini, tegangan pengisian yang sama dipakai ke masing-masing battery, sehingga perlud dipasang variable resistor untuk mensuplai tegangan yang berbeda sesuai dengan status discharged. Pada cara ini, proses pengisian bisa dilakukan dengan tegangan output yang mempunyai tegangan yang sama pada satu cell; namun demikian, pengisian arusnya adalah gabungan dari masing-masing arus battery. Karena itulah, jumlah battery yang dihubungkan ditentukan oleh besarnya arus pada charger. Pada cara ini, jika tidak ada variable resistor, pengisian dengan cara sambungan parallel sebisa mungkin lebih baik jangan dilakukan. Karena arus yang diperlukan untuk proses pengisian bisa sangat besar sehingga usia battery akan berkurang dengan cepat.
Ada banyak cara untuk mengisi battery menggunakan charger. Semua arus untuk proses pengisian tidak hanya dipakai untuk proses pengisian. Ada beberapa arus yang hilang seperti panas yang dihasilkan selama proses pengisian dan gas yang dihasilkan oleh elektrolit dari air sulingan. Karena itu, hal penting yang harus dipikirkan adalah bagaimana caranya untuk mengurangi arus yang hilang tersebut. Ada bermacam cara proses pengisian seperti initial charge, maintenance charge, recovery charge, dan equalizing charge.
1.7.2 Initial charge
Initial charge adalah proses pengidian battery yang dilakukan pada saat pertama kali battery dibuat dan pengisian elektrolit sebelum battery tersebut digunakan. Tujuan dari initial charge adalah untuk mengaktifkan pelat cathode dengan memisahkan lead oxide atau lead carbide dari reaksi lead cathode dengan atau di dalam atmosphere, menjadi discharge lead lagi. Sekarang ini sudah ada battery baru yang bisa langsung dapat dipakai begitu diisi dengan elektrolit.
1.7.3 Maintenance charge
Maintenance charge adalah proses pengisian untuk tambahan kapasitas dari pemakaian normal atau self-discharge. Battery untuk kendaraan kapasitasnya dapat ditambah untuk menghidupkan mesin melalui alternator dan regulator ketika mobil berjalan. Pada kondisi berikut, arus yang dipakai lebih besar dari arus yang diisi, sehingga diperlukan maintenance charge.
Apabila running time terlalu cepat untuk melakukan penambahan yang mencukupi.
Pada saat proses pengisian ketika kendaraan berjalan tidak mencukupi karena over discharge atau kebocoran arus di dalam sirkuit elektrik.
Apabila proses pengisian tidak bisa berjalan dikarenakan adanya kesalahan fungsi pada alternator atau regulator atau kerusakan kontrol.
Ada dua metode maintenance charge, yaitu normal charge yang waktu pengisiannya relatif cukup lama, dan quick charge yang waktu pengisiannya relatif singkat dengan menggunakan arus yang besar. Normal charge digolongkan menjadi constant current charge, constant voltage charge dan variable current charge berdasarkan kondisi pengisiannya.
(1
lai dari permulaan seperti berikut;
10
a
sudah berada diantara 2.6~2.7V, maka tegangannya akan terus tetap b
berat jenisnya akan naik secara tajam untuk c.
) Constant current charge
Metode pengisian ini adalah mengisi setrum dengan arus tetap mu sampai akhir proses pengisian. Secara garis besar arusnya
Pengisian arus standar : % dari kapasaitas battery Pengisian arus minimal : 5% dari kapasitas battery Pengisian arus maksimal : 20% dari kapasitas battery
Dan karanteristik pengisian arus tetap adalah sebagai berikut;
. Tegangan terminal pada awal proses pengisian naik secara drastis dan setelah itu melambat turun. selanjutnya, pada saat mendekati 2.4V, tegangannya naik lagi, dan ketika tegangannya
dipertahankan.
. Berat jenis elektrolit secara perlahan akan niak karena dia tidak bergerak sampai gas dihasilkan. Pada saat gas dihasilkan, maka
kemudian akan tetap di angka sekitar 1.280.
Jika tegangannya pada cell mencapai 2.3~2.4V setelah proses pengisian dimulai, maka akan banyak gas yang dihasilkan. Alasannya adalah bahwa arus yang disuplai setelah diisi penuh digunakan oleh elektolit air sulingan. Pada pelat anode (+) oxygen dihasilkan dan hydrogen dihasilkan pada pelat cathode (-). Status penghasilan gas selama proses pengisian juga digunakan sebagai alat untuk menentukan selesainya proses pengisian.
Disini gas hydrogen gas adalah gas yang berbahaya karena marupakan gas yang mudah d.
maka perlu ditambah air sulingan untuk mengatur meledak, sehingga hati-hati jangan sampai terkena api.
Pada saat proses pengisian selesai, apabila berat jenis elektrolit dengan temperatur 20 derajat celcius adalah lebih dari 1.280,
agar berat jenisnya berada dilevel 1.280.
Fig. 1-22 karakteristik pengisian arus dan tegangan pada constant current charge (2
lebih baik, ) Constant voltage charge
Metode ini adalah proses pengisian yang dilakukan dengan tegangan konstan dari awal sampai akhir proses pengisian. Karakteristik pengisian terlihat seperti pada gambar Fig. 1-23; pada awal proses pengisian, arus yang diberikan adalah besar. Setelah beberapa lama, arusnya akan dikurangi. Dan pada akhirnya, arus tidak bisa mengalir diakhir proses pengisian. Oleh karena itulah, tidak ada gas yang timbul, sehingga performa pengisiannya
namun begitu, arus yang besar dapat mempengaruhi usia pemakaian battery-nya.
(3) Variable current charge
Metode pengisian ini adalah proses pengisian dengan arus variable. Dalam metode ini, efesiensi pengisiannya bagus dan temperatur elektrolit secara perlahan akan naik. Di akhir proses pengisian, arusnya akan berkurang, sehingga bisa mengurangi hilangnya arus dan bisa melindungi kerusakan akibat dari timbulnya gas.
(4) Quick charge
Cara ini biasanya menggunakan alat quick charger untuk mempercepat waktu proses pengisian. Quick charge tidak menimbulkan reaksi kimia karena dalamnya bahan elektroda, untuk itu perlu dilakukan maintenance charge setelah proses quick charge selesai .
Ketika melakukan quick charge maka perlu diperlatikan hal sebagai berikut.
a. Jika user ingin melakukan quick charge dimana battery tidak dilepas dari kendaraan, seluruh kabel harus dipisahkan dari kutup terminal (+) dan (-). Kemudian clip pada charger dipasang dengan benar (hal ini untuk melindungi diode alternator).
b. Arus yang diisi harus 50% dari kapasitasnya, jangan sampai lebih. c. Quick charge harus dilakukan dalam waktu yang sesingkat mungkin.
d. Jika temperatur elektrolitnya lebih dari 45 derajat celcius, arus yang diisi harus dikurangi atau proses pengisiannya harus ditunda dan dilanjutkan apabila temperaturnya sudah lebih rendah.
1.7.4 Recovery charge
Recovery charge adalah penemuan kembali permukaan pelat elektroda yang dilarutkan secara kontinyu pada saat proses discharge. Proses ini ini dilakukan dengan arus pengisian konstan dan dengan arus kecil selama 40~50 jams. Kemudian, besarnya arus yang diisi harus dipakai dan diisi ulang kembali dengan cara yang sama. Process ini dilakukan dalam beberapa kali.
1.7.5 Equalizing charge
Equalizing charge dilakukan apabila berat jenis pada masing-masing cel elektrolit tidak sama. Proses ini dilakukan melalui penyamaan berat jenis elektrolit pada masing-masing cell dengan menambah arus sampai sebesar 20~25% dari arus normalnya dan kemudian melakukan overcharging. Prosesnya menggunakan arus pengisian konstan.
1.7.6 Hal yang harus diperhatikan dalam melakukan charging battery
Lokasi proses pengisian battery harus mempunyai sistem ventilasi yang baik.
Setrum battery yang dipakai bukan karena tidak dipakai dalam jangka waktu yang lama, tetapi dilakukan melalui maintenance charge.
Temperatur elektrolit tidak lebih dari 45 derajat celcius. Battery yang akan di-charge harus jauh dari jangkauan api.
Jangan sampai battery mengalami overcharged karena pelat anode (+) nya akan menjadi oksida.
Apabila battery yang diisi pada saat yang bersamaan lebih dari dua buah, maka sistem koneksinya harus secara serial.
Penyambungan charger dan battery jangan sampai terbalik.
Mempersiapkan bahan pengobatan untuk pertolongan pertama seperti air ammonia atau sodium carbonate.
Seluruh vent plug pada cell harus dibuka. 1.8 MF battery
Battery MF (Maintenance Free) juga adalah lead-acid battery hasil pengembangan dari battery normal untuk melindungi agar elektrolit tidak berkurang karena reaksi gas yang dibangkitkan dariself-discharge atau reaksi kimia, dan mengurangi proses perawatan dan pemeriksaan. Keunggulan battery MF adalah sebagai berikut;
Tidak perlu melakukan pemeriksaan atau mengganti air sulingan. Besar self-discharge sangat kecil.
Dapat disimpang dalam jangka waktu yang lama.
Perbedaan mendasar antara battery MF dan battery normal adalah pada material, metode pembuatan dan bentuk grid. Material untuk grid adalah campuran lead-antimony yang mempunyai antimony (Sb) sedikit atau campuran lead-calcium. Antimony, digunakan pada grid battery normal, bahan ini digukanan untuk meningkatkan kekuatan mekanis pada grid dan agar proses pembuatan oleh pabrik menjadi lebih mudah. Dan dapat diekstrak dari permukaan elektroda sehingga pemusatan battery bisa terbentuk. kemudian, self-discharge bisa dipercepat dan tegangan yang diisi dapat dikurangi. Ketika isi tegangan konstan dipakai pada kendaraan,arus pengisiannya akan dinaikkan secara bertahap sehingga elektrolit dari air suling akan lebih aktif. Untuk mencegah gejala ini, jika battery MF terbuat dari bahan campuran terdiri dari sedikit antimony atau
lead-calcium, maka pengurangan elektrolit dan self-discharge akan terhindari. Metode pembuatan untuk grid adalah dengan membuat susunan pelat besi melalui proses mekanikal seperti tempaan lembaran baja, sehingga kualitas dan produktivitasnya meningkat. Dengan memakai sebuah catalyst plug untuk memisahkan oxygen dan hydrogen gases ke air suling lagi, sehingga tidak perlu ada lagi penambahan air suling.
Fig. 1-25 Sktutur catalyst plug
2. Starting System
Mesin mobil bekerja dengan empat langkah yaitu langkah masuk, langkah kompresi, langkah pembakaran dan langkah buang. Diantara langkah-langkah tersebut, energi untuk menggerakkan mesin hanya dihasilkan
dari langkah pembakaran, dan energi tersebut dikirim ke flywheel dan output melalui gerakan putaran secara terus-menerus oleh gaya inersia pada flywheel. Pada saat starting mesin, diperlukan daya untuk intake awal dan langkah kompresi harus disuplai dari luar untuk memutar crankshaft. Pada saat tersebut diperlukan battery, starting motor, ignition switch dan wiring.
2.1 Prinsip kerja dan jenis motor DC 2.1.1 Prinsip kerja motor DC
Seperti tampak pada gambar Fig. 2-2, setelah dipasang conductor (armature) yang dapat berputar secara bebas di dalam bidang magnet, terdapat commutator untuk mensulai sumber arus, brush yang melakukan kontak ke commutator untuk mensuplai arus ke conductor, sebuah gaya dihasilkan dengan arah sesuai dengan kaidah tangan kiri Fleming. Pada saat tersebut, arus mengalir dari conductor A ke conductor B (lihat Fig. 2-3). Karena itulah, conductor A dekat kutup N mempunyai gaya dengan arah ke bawah, dan conductor B dekat kutub S mempunyai gaya dengan arah ke atas. Sehingga akan berputar ke arah kiri. Gerakan ini menghasilkan gaya putar secara proporsional mengikuti kekuatan medan magnet dan arus yang mengalir melalui conductor. Dengan memperimbangkan situasi stelah conductor berputar 180 derajat, conductor A dan B diletakkan dengan posisi terbalik. Karena itulah, arah putarannya akan terbalik, sehingga tidak dapat berputar secara kontinyu. Untuk mencegah konflik ini, arah arus yang disuplai harus tatap dipertahankan dalam satu arah, sehingga arah putarnya tidak terbalik.
Fig. 2-2 Prinsip kerja motor
Fig. 2-3 Gaya yang diaktifkan ke armature
Gaya electromagnetic yang disuplai ke armature terletak di dalam bidang magnet, pada saat arus DC disuplai ke armature melalui brush dan commutator. Akan dijelaskan pada gambar Figs. 2-3 (a), (b) dan (c).
Gambar (a): begitu arus mengalir dari armarture coil B ke coil A, gaya electromagnetic pada coil A diberikan ke arah atas dan coil B di berikan ke arah bawah. Karena itulah, armature akan berputar ke kiri (kebalikan arah jarum jam).
Gambar (b): Pada saat armature berputar 90 derajat ke tengah coil, aru tidak lagi mengalir melalui armature. Karena itulah armature tetap berputar melalui gerakan inersia-nya.
Gambar (c): armature berputar, coil A dan coil B ditempatkan dengan posisi terbalik dari gambar (a). Namun begitu, arah arusnya tidak berubah oleh brush, sehingga arah gaya electromagnetic sama seperti pada gambar (a) meskipn arusnya dialirkan dari coil A ke coil B. karena itulah armature akan berputar ke arah kiri (kebalikan arah jarum jam).
2.1.2 Jenis Motor DC
Sesuai dengan metode penghubungannya antara armature coil dan field (yoke) coil, jenis gulungan secara series, jenis gulungan shunt (melangsir), dan tipe gulungan compound digunakan untuk motor arus langsung (DC) yang terdiri dari armature coil, field (yoke) coil, commutator dan brush. Terakhir ini sudah ada yang menggunakan manget permanent.
(1) Motor jenis gulungan series
Pada jenis ini armature coil dan field (yoke) coil dihubungkan secara serial. Arus konstan mengalir melalui masing-masing coil. Ciri khas jenis ini adalah dapat memberikan daya putar yang besar namun tidak membuat arus yang berlebihan pada beban tinggi karena kecepatan putarannya dapat diatur secara otomatis sesuai dengan besar bebannya. Namun demikian, tanpa beban, kecepatan putarannya akan sangat tinggi sehingga motornya harus tangani dengan benar agar tidak rusak. Karena itulah jenis motor ini banyak digunakan untuk starting motor. Karakteristik tipe ini adalah sebagai berikut;
Fig. 2-4 Diagram Electric gulungan serie motor dc A. Karakteristik hubungan antara arus armature dan gaya putar
Besarnya gaya putar pada motor adalah sesuai dengan besar arus armature dan ke kuatan bidang magnet. Kekuatan bidang magnet ditentukan oleh arus yoke dan arus armature. Karakter grafiknya tampak pada gambar 2-5. begitu arus armature-nya tinggi, gaya putarnya akan meningkat.
B. Karakteristika hubungan antara arus armature dan kecepatan
Arus armature adalah kebalikan dari gaya electromotive yang dibuat oleh motor. Gaya electromotive adalah proporsional mengikuti kecepatan motor. Oleh karena itulah, arus
armature-nya adalah kebalikan dari kecepatan motor. Grafik karakternya terlihat pada gambar 2-5 dibawah ini. Seperti terlihat pada grafik, ketika kecepatannya rendah (bebannya tinggi), gaya putarnya akan tinggi karena arus pada armature naik, oleh karena itulah gulungan motor secara series pada motor dc umumnya dipakai untuk starting motor.
Fig. 2-5 Grafik masing-masing tipe motor dc (2) Motor tipe gulungan shunt
Pada tipe ini armature coil dan field coil dihubungkan secara parallel. Sumber tegangan diberikan ke masing-masing coil. Sesuai dengan arus yang dialirkan melalui field coil, kecepatan putarannya dapat diatur dengan mudah. Arus ini dapat digunakan motor dengan kecepatan putaran yang tetap dimana kecepatan putarannya tidak akan berubah meskipun bebannya beragam, atau akselerasi dan deselerasi kecepatan motornya beragam tergantung dari arus yoke. Motor jenis ini digunakan untuk window washer, cooling fan, power window, dan sebagainya.
Fig 2-6 Diagram electrik motor dc gulungan shunt
A. Characteristic of relationship between the armature current and rotation force
Sama seperti gulungan series, gaya putarnya mengikuti arus armature dan kekuatan yoke field. Namun, pada tipe ini kekuatan bidang megnetnya tidak dapat dirubah, sehingga grafiknya akan seperti terlihat di gambar 2-5. karena itulah begitu arus armature-nya besar (bebannya
tinggi), maka gaya putarnya akan meningkat, namun rasio kenaikannya lebih kecil dibanding dengan tipe gulungan series.
B. Karakteristik hubungan antara arus armature dan kecepatan
Kecepatan putaran motor sebanding dengan tegangan dan bebanding terbalik dengan kekuatan field yoke. Karena itulah, ketika sumber power-nya adalah battery, maka tegangannya akan konstan dan yoke field tidak berubah. Konsekwensinya, ketika arus armature ditambah, maka tegangannya akan sedikir menjadi rendah namun kecepatan putarannya hampir tetap konstan, seperti tampak pada gambar 2-5.
(3) Motor tipe gulungan compound
Pada tipe ini armature coil dan satu field coil dihubungkan secara serial dan dihubungkan ke field coil lainnya secara parallel. Arah kutub pada kedua field coils adalah sama. Tipe ini adalah gabungan dari karakter series winding dan shunt winding.
Karena itulah, pada saat motor melakukan starting, dia mempunyai gara putar yang besar seperti yang dimiliki oleh tipe series winding. Setelah di-start, motor ini akan berputar secara tetap seperti yang dimiliki oleh tipe shunt winding. Sehingga motor jenis ini strukturnya lebih rumit dibandingkan dengan jenis series winding. Motor jenis ini biasanya digunakan untuk windshield wiper.
Fig. 2-7 Diagram elektrik compound winding motor dc (4) Permanent magnetic motor
Ferrite magnet adalah magnet permanen yand dibuat dengan cara menekankan bubuk oxide termasuk barium dan iron serta sintering pada temperatur tinggi. Ciri utama motor jenis adalah ringan dan mempunyai daya magnet yang kuat. Magnet melayani field york coil dan inti kutub. Dalam hal ini, arusnya hanya disuplai ke armature coil, sehingga jika arah arus dirubah maka arah putarannya juga berubah. Alasannya adalah karena arah kutub ferrite magnet tidak dirubah; namun begitu, arah kutub armature, electromagnet, dapat dirubah sesuai dengan arah arus. Tipe motor ini digunakan untuk windshield wiper motor, servo motor untuk mengontrol kecepatan idling ECU engine, step motor, fuel pump dan sebagainya.
Fig. 2-8 Diagram elektrik permanent magnetic motor 2.2 Start motor
Sekarang ini, kebanyakan kendaraan menggunakan jenis motor gulungan series yang sumber tenaganya battery untuk motor starter. Motor jenis gulungan series menghasilkan putaran rendah dengan daya yang besar. Apabila bebannya dikurangi, gaya putarnya akan berkurang namun kecepatan putarnya akan meningkat. Karena itulah, kecepatan putarannya akan beragam. Motor starter harus dapat menghasilkan gaya putar yang bisa tahan terhadap gaya kompresi dari cylinder mesin dan gaya gesek yang timbul dari komponen di dalam mesin, sehingga gaya putarnya harus cukup besar. Jenis yang paling cocok diantara jenis motor yang ada untuk keperluan tersebut adalah jenis motor gulungan series. Ketentuan yang diperlukan adalah sebagai berikut;
Gaya putar untuk starting mesin harus besar.
Harus bisa sekecil dan seringan mingkin dan mempunyai output yang besar. Harus dapat bekerja dengan kapasitas arus yang kecil.
Tahan terhadap guncangan. Tahan terhadap kejutan mekanis. 2.2.1 Gaya putar untuk starting
Gaya putar dan kecepatan yang diperlukan untuk motor starter mesin akan tergantung dari jenis mesinnya (volume cylinder, rasio kompresi, dan jenis pengapiannya) atau temperatur (temperatur daerah setempat atau temperatur oli pelumasi). Performas starting umumnya dipengaruhi oleh status battery, sumber kelistrikan. Karena itulah, pada saat akan menentukan performa starting motor kondisi mesin, karakteristik start motor dan performa battery harus dipertimbangkan juga. Tahanan putar pada mesin ditentukan oleh gaya yang diperlukan untuk menekan campuran udara dan bahan bakar di dalam cylinder dan gaya gesek pada cylinder, piston ring, bearing dan gear.
Pada saat mesin di-start , gaya putar yng diperlukan pada motor starter untuk memutar crank shaft melawan tahanan putar disebut dengan starting rotation force (gaya putar starter). Gaya putar starter dapat dinaikkan dengan cara memperbesar rasio antara flywheel ring gear dan pinion gear (sekitar 10~15:1). Rasio ini dapat diperloleh dengan persamaan sebagai berikut. Gaya putar motor ini akan besar begitu voleme cylinder volume atau rasio kompresinya besar, begitu juga pengaruh dari tempratur luar.
2.2.2 Putaran awal untuk start mesin
crankshaft. Jika kecepatan putarannya terlalu rendah, maka gas yang ditekan antara cylinder dan piston akan lemah, sehingga tekanan kompresi untuk starting dapat diperoleh. Untuk mesin bensin, jika tegangan yang disuplai ke ignition coil terlalu rendah, maka pengapiannya akan gagal. Untuk mesin diesel, jika kompresi adiabatic tidak mencukupi untuk dilakukan, maka selanjutnya temperatur untuk membakar bahan bakar tidak akan dapat diperoleh. Batas terendah kecepatan putaran untuk menghidupkan mesin disebut dengan minimum starting rotation speed (kecepatan putar starting minimal).
Kecepatan putaran mesin diesel sedikit lebih besar dibanding dengan mesin bensin. Umumnya kecepatan putaran minimal akan tinggi begitu temperaturnya tinggi. Juga beragam tergantung dari jumlah cylinder, jumlah siklus, bentuk ruang bakar, jenis pengapian dan seterusnya.
Untuk mesin 2 tak, kecepatan putaran minimum adalah sekitar 150~200 rpm dengan suhu - 15 derat celcius. Untuk mesin 4 langkah, putarannya lebih dari 100rpm untuk mesin bensin, dan 180 rpm untuk mesin diesel.
(Rotation Resistance of engine) x (Tooth number of pinion gear) Rotating force = — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —————
(Tooth number of flywheel ring gear) 2.2.3 Performa starting pada mesin
Output pada start motor beragam tergantung dari kapasitas battery dan temperatur. Gambar 2-9 menunjukkan satu contoh aneka karakteristik berdasarkan ragam battery yang mempunyai kapasitas berbeda untuk menjalankan start motor.
Fig. 2-9 Karakteristik start motor berdasarkan kapasitas battery
Pada saat kapasitas battery kecil, tegangan terminal akan turun dan kecepatan putarannya juga lambat untuk menghidupkan mesin, sehingga output-nya akan berkurang. kemudian, seperti tampak pada gambar Fig. 2-10, kapasitas aktualnya juga diturunkan begitu temperaturnya rendah, sehingga output pada start motor juga berkurang. Karena itulah, pada bebarapa hal, performa starting akan menurun.
Gambar 2-11 menunjukkan hubungan antara kecepatan putaran mesin yang diputar oleh motor starter dan gaya putar untuk menjalankan mesin melalui pinion gear dan flywheel ring
gear. Ketika temperaturnya rendah, tingkat kekentalan oli pelumas akan naik, sehingga tahanan putar dari mesin juga akan naik. Namun, gaya putar penggeraknya akan berkurang karena penurunan kapasitas battery.
Fig. 2-10 Karakteristik start motor terhadap temperatur
Fig. 2-11 Karakteristik engine starting
2.3 Struktur dan prinsip kerja start motor
Start motor terdiri dari tiga komponen utama sesuai dengan prinsip kerjanya. Komponen untuk meghasilkan gaya putar
Komponen untuk menyalurkan gaya putar ke engine fly-wheel ring gear
Komponen penghubung agar pinion dengan flywheel ring gear bisa bertemu melalui gerakan meluncur.
Ketika komponen utama ini ukuran dan banyaknya kutub dan brush berbeda, mengikuti tegangan sumber dan outputnya. Namun demikian umumnya struktur dan prinsip kerjanya adalah sama.
Fig. 2-12 Struktur start motor 2.3.1 Komponen Electromotor
Komponen electromotor terdiri dari komponen yang berputar (armature, commutator, etc) dan komponen tetap (field coil, pole core, brush, dst.).
(1) Komponen berputar A. Armature
Armature terdiri dari shaft dan inti besi, kemajemukan gulungan armature coil yang dibungkus disekelilingnya dan commutator. Kedua ujung shaft ditopang oleh bearing dan dapat berputar dengan inti besi yoke. Shaft pada armature terbuat dari baja khusus untuk mencegah agat tidak mudah patah, penyok atau berubah dari gaya yang besar. Shaft tersebut mempunyai satu spline dimana pinion bisa meluncur. Shaft tersebut harus kuat agar tidak mudah aus. Inti besi dari armature terdiri dari banyak lembaran baja tipis yang dibungkus dan dilekatkan
Overrunning Clutch
Armature
Pinion
Reduction Gear
untuk mengalirkan magnetic flux dengan baik dan untuk mengurangi pusaran arus. Bahannya terdiri dari besi, nikel atau cobalt yang mempunyai daya permanen magnet yang besar. Untuk daerah luarnya, ada slot untuk armature coil
dengan tujuan agar inti besinya tidak overheating. Inti besi pada armature akan menjadi sirkuit magnetik bagi medan magnet yang dihasilkan dari inti kutub dan merubah gaya electromagnetic yang dihasilkan diantara gaya magnetik dari inti kutub dan armature coil ke gaya putar. Karena itulah, semakin besar armature coil, maka semakin besar pula gaya putarnya.
Fig. 2-13 Struktur armature
Fig. 2-14 Struktur armature coil
Armature coil harus mempunyai arus yang besar sehingga terbuat dari conductor persegi yang digulung. Coil disisipkan ke dalam slot yang sudah diisolasi dimana satu ujung coil dihubungkan ke kutub N dan ujung lainnya dihubungkan ke kutub S. kedua ujung coil tersebut disolder ke commutator. Karena itulah gaya putar yang dihasilkan dari masing-masing coil pada saat arusnya dialirkan ketika itu, memutar armature. Bentuk inti besinya tampak terlihat pada gambar 2-15. Umumnya dua coil disisipkan ke dalam satu, sehingga bentuk bagian melintangnya seperti tampak pada gambar 2-15 (a), (b) dan (c). bahan untuk membungkus armature coil adalah kertas mica, fiber atau plastik.
Fig. 2-15 Bentuk Slot inti besi armature B. Commutator
Seperti tampak pada gambar 2-16, ada beberapa pelat tembaga commutator yang disusun dalam bentuk melingkar dengan insulator (mica) diantara pelat tersebut. Armature coil disolder dengan pelat commutator. Dengan cara tersebut maka arus dapat mengalir dari brush dalam satu arah ke armature coil.
Fig. 2-16 Commutator dan Undercut
Bagian dalam komponen commutator lebih tipis dari komponen bagian luar. Untuk mencegah agar tidak tidak lepas, maka komponen ini digabungkan dengan mica berbentuk V atau ring penjepit berbentuk V. masing potongan pelat commutator dibungkus oleh mica yang mempunyai ketebalan sekitar 1mm dan diameter is 0.5~0.8mm (max 0.2mm) lebih kecil dari diamter luar commutator. Bagian kecil ini disebut dengan under cut yang mempunyai peran penting dalam melindungi commutator dari pemutusan, penyelarasan yang kurang baik, atau kerusakan karena getaran. Pelama berputar commutator selalu dihubungkan dengan brush, sehingga terdapat arus yang besar diantara brush dan commutator. Karena itulah temperaturnya bisa tinggi dan mudah rusak. Karena itulah komponen start motor kuat dan tahan lama.
(2) Fixed part
Fixed part (komponen tetap) pada start motor terdiri dari yoke yang menghasilkan medan magnet untuk memutar armature, pole core, field coil, brush untuk mengirimkan arus dari field coil ke armature coil melalui commutator, brush holder, dan rangka depan-belakang untuk menopang armature shaft.
A. Yoke & Inti Kutub
Yoke adalah jalan bagi magnetic field sama seperti frame pada start motor. Dibagian dalam permukaannya ada inti kutub, yang mempunyai peranan pada kutub magnetik mendukung field coil, ini kutub ini dipasang dengan sekrup.
Pada saat field coil dililit sekelilingnya dengan inti kutub, ini kutub tersebut akan menjadi electromagnet ketika arus dialirkan ke field coil. Besarnya electromagnet ditentukan oleh jumlah inti kutub. Jika jumlah initi kutubnya adalah 4 maka electromagnet mempunyai 4 kutub. B. Field coil
Adalah coil yang sekelilingnya dililit dengan inti kutub untuk menghasilkan medan magnet. Sesuai dnegan arus besar yang mengalir melaluinya, maka field coil ini terbuat dari kawat tembaga persegi.
Fig. 2-17 Inti kutub dan Field coil
C. Brush & brush holder
Empat brush menyalurkan arus ke armature coil melalui commutator. Dua diantaranya ditopang oleh insulated holder dan dihubungkan ke commutator (disebut dengan brush positif (+)) , dan kedua brush lainnya ditopang oleh grounded holder dan dihubungkan ke commutator (disebut dengan brush negatif (-)). Brush terbuat dari carbon, graphitic carbon, electrical graphitic carbon, atau metallic graphitic carbon yang mempunyai kemampuan pelumasasan dan kemampuan mengalirkan arus listrik dengan baik. Karena start motor mempunyai arus yang besar dan dijalankan dalam jangka waktu yang pendek, maka bahan metallic graphitic carbon untuk tegangan rendah dan arus listrik besar biasanya dipakai oleh start motor.
Metallic graphitic carbon brush terbuat dari bubuk tembaga dan graphite yang mempunyai rasio tembaga sekitar 50~90%, sehingga tingkat tahanannya rendah. Agar supaya brush dapat mensuplai arus ke armature coil melalui commutator, brush harus kontak ke commutator menggunakan spring tension untuk menggeser holder ke atas dan bawah. Kekuatan spring tension pada brush adalah sekitar 0.5~1.0 kgf/Ω. Jika brush sepertiganya sudah aus maka harus diganti dengan yang baru.
D. Bearing
Karena kerja start motor cukup berat dan dijalankan dalam waktu yang singkat, maka start motor mengguankan bearing tipe bushing. Bearing-nya ada slot untuk pelumasan. Lebih disukai bearing yang olinya sedikit.
Fig 2-18 Pemasangan brush dan commutator
(3) Solenoid switch
Juga disebut dengan magnetic switch. Berperan melakukan menjalankan switch ON-OFF bagi arus besar yang dialirkan dari battery ke start motor dan kontak joint pada pinion start motor dan engine flywheel ring gear.
Solenoid switch, seperti tampak pada gambar 2-20, terdiri dari hollow core, plunger, contact disk, dua contacting terminal (satu untuk koneksi terminal (+) battery ketika contact disk ditutup, lainnya untuk mensuplai arus ke start motor) dan dua excite coil dililitkan pada hollow core. Kedua excite coils terdiri dari pull-in coil dan hold-in coil. Bagian starting dari gulungan coil dihubungkan ke switch terminal start motor (S terminal atau St terminal). Pull-in coil di-ground ke terminal start motor (M terminal) dan hold-in coil di-ground ke housing.
Agar pinion starting motor dan engine fly wheel ring gear mudah bertemu satu sama lainnya dan motor bisa berputar dengan lancar serta plunger bisa bekerja, maka pull-in coil mempunyai coil tipis yang digulung disekitarnya, dan dihubungkan ke battery secara serial. Hold-in coil ukurannya lebih tipis dibanding dengan pull-in coil, jadi arus yang dialiri lebih sedikit. Namun coil ini dihubungkan ke battery secara parallel sehingga terus mendapat medan magnet tanpa dipengaruhi oleh status buka-tutup kedua titik kontak.
Fig 2-19 Brush and brush holder
Fungsi kerja dari excite coil adalah untuk menghasilkan gaya magnetik dengan cara mengalirkan arus battery current berdasarkan penutupan start switch (atau dari kunci kontak) dan untuk menarik plunger ke atas. Melalui gerakan plunger, contact disk dijakankan untuk menghubungkan kedua titik kontak, pada saat yang bersamaan, shift lever akan tertarik untuk menggeser pinion sehingga pinion dapat bertemu dengan engine fly wheel ring gear. Cara kerja solenoid adalah sebagai berikut ;
Ketika starting switch ditutup, arus akan mengalir dari starting switch ke pull-in coil sehingga plunger secara tiba-tiba akan tertarik dan kemudian contact disk kedua titik kontak tertutup. Pada saat yang bersamaan, karena plunger tertarik, maka pinion terdorong ke flywheel ring gear. Pada saat tersebut, arus besar akan mengalir dari terminal (+) battery ke terminal start motor (M terminal) melalui terminal battery (B terminal) dari solenoid switch. Arus dari terminal start motor mengalir melalui field coil • (+) brush • commutator • armature coil • commutator • (-) brush • ground untuk memutar armature dan kemudian mesin diputar (cranking).
Begitu plunger ditarik dan kedua titik kontak terhubung ke contact disk, maka pull in coil terbuka oleh contact disk sehingga arus tidak mengalir melalui pull in coil dan gaya tarik dari pull-in coil menjadi nol. Karena itulah, plunger akan kembali keposisi semula karena tertarik oleh return spring sehingga titik temu antara pinion dan ring gear akan terlepas. Pada saat tersebut, hold-in coil akan merintangi agar supaya plunger tidak kembali ke posisi aslinya karena gaya return spring dan agar pinion tidak terpisah dari ring gear karena getaran yang diakibatkan selama mesin cranking.
Setelah mesin hidup, jika kunci kontak dilepas ke posisi on, maka pada saat tersebut contact disk akan tertutup, karena itulah arus pada pull-in coil arusnya akan terbalik mengalir dari terminal start motor terminal (M terminal). Sehingga arah medan magnet pull-in coil juga akan terbalik dan kemudian gaya magnetik pada hold-in coil dan pull-in coil satu sama lainnya dibatalkan. Karena itulah, plunger kembali karena gaya tarik dari return spring, pinion dipisahkah dari ring gear dan contact disk akan terbuka. Begitu pull-in coil dihubungkan secara serial dengan battery dan start motor, maka disebut dengan serial coil atau current coil. Begitu hold-in coil dihubungkan secara parallel, maka itu disebut dengan shunt coil atau voltage coil.
