MATERI-12
IGNITION TIMING CONTROL
1. Pengertian
Ignition Time berfungsi mengatur proses pembakaran campuran bahan bakar dan udara di dalam silinder sesuai waktu yang sudah ditentukan yaitu pada akhir langkah kompresi.
Spark ignition engine atau motor bensin merupakan internal combustion engine dengan proses pembakaran campuran bahan bakar dan udara dilakukan oleh percikan bunga api yang berasal dari busi.
2. Komponen
a.Fuel tank (menyimpan bensin)
b.Fuel pump (menarik bahan bakar dari tangki dan mengirimkannya kepada perangkat fuel-metering)
c.Fuel filters (menghilangkan kontaminasi dari bahan bakar)
d.Fuel lines (membawa bahan bakar antara tangki, pompa dan bagian lain)
e.Fuel pressure regulator (mengandalikan kuantitas dari tekanan yang masuk dalam katup injektor)
f.Fuel injection (sistem untuk mengatur pencampuran dari udara dan bahan bakar di dalam mesin bakar)
g.Ignition engine (mengatur proses pembakaran campuran bahan bakar dan udara di dalam silinder sesuai waktu yang sudah ditentukan yaitu pada akhir langkah kompresi)
3. Jenis
Siklus Dua Langkah
Siklus Empat Langkah
4. Prinsip Kerja Siklus Dua Langkah
Mesin 2 TAK harus memakai oli pelumas samping selain pelumas mesin hal ini di sebabkan karena putaran yang di hasilkan lebih cepta. Karena hanya membutuhkan 2 langkah kerja mesin 2 TAK lebih kencang/cepat dari 4 TAK hal ini menyebabkan mesin 2 TAK lebih berisik, dan lebih boros bahan bakar.
A. Langkah Isap dan Kompresi
Pada langkah ini dalam motor 2 TAK terjadi aksi berbeda yang terjadi secara bersamaan yaitu aksi kompresi yang terjadi pada ruang silinder atau pada bagian atas dari piston dan aksi hisap yang terjadi pada ruang enkol atau pada bagian bawah piston. Yang terjadi dalam langka ini adalah :
- Piston bergerak dari TMB ( itik mati bawah) ke TMA (titik mati atas)
- Pada saat saluran pembiasan tertutup mulai dilakukan langkah kompresi pada ruang silinder
- Pada saat saluran hisap membuka maka campuran udara dan bensin akan masuk ke dalam ruang engkol.
B. Langkah Pembakaran dan Pembuangan
Pada langkah ini terjadi pembakaran dan buang yang terjadi pada saat yang tidak bersamaan, jadi pembakaran dahulu barulah setelah saluran pembiasan dan saluran buang terbuka terjadi langkah buang. Yang terjadi dalam langkah ini adalah :
- Sebelum piston mencapai TMA (titik mati atas), busi akan memercikan bunga api listrik sehingga campuran udara dan bahan bakara terbakar dan menyebabkan ledakan maka timbulah Daya dorong terhadap piston, sehingga piston akan bergerak dari TMA ke TMB.
- Sesaat setelah saluran hisap tertutup dan saluran bias serta saluran buang membuka maka campuran udara dan bahan bakar yang berada di ruang engkol akan mendorong gas sisa hasil pembkaran melalui saluran bias ke saluran pembuangan.
Siklus Empat Langkah
Berikut merupakan prinsip kerja dari mesin bensin 4 langkah:
- Langkah hisap (intake) adalah katup hisap terbuka dan campuran dari bahan bakar dan udara mengalir ke dalam mesin dengan arah piston ke bawah
- Langkah kompresi, katup hisap tertutup dan piston naik, mengkompresi campuran udara/bahan bakar.
- Langkah pembakaran, piston turun karena adanya tekanan yang mengakibatkan adanya pembakaran dari campuran udara/bahan bakar.
- Langkah pembuangan, katup pembuangan terbuka dan piston akan naik, membuang emisi gas. Pada saat piston mencapai bagian paling atas, katup pembuangan akan tertutup.
5. Pembakaran
Pembakaran bahan bakar di dalam silinder mesin bisa terjadi beberapa kemungkinan, bisa sempurna dan bisa tidak sempurna sehingga energi yang dihasilkan untuk pembakaran dalam setiap saat akan berubah sesuai dengan kesempurnaan pembakaran bahan bakar.
A.Sempurna
Proses pembakaran bahan bakar berlangsung sempurna dengan sokongan oksigen di udara. Rasio ideal tersebut adalah 14,7 :1. Kombinasi bahan bakar ini akan bervariasi tergantung cara berkendara atau lintasan yang dilewati.
B.Tidak Sempurna
Menyebabkan:
A. Knocking
B. Pre-Ignition (Pembakaran yang terlalu cepat)
A. Penggunaan Bahan Bakar yang tidak tepat B. Ruang Bakar yang Kotor dan berkerak
C. Pengontrolan waktu pengapian yang kurang tepat : - Jika terlalu cepat akan menyebabkan knocking
- Jika terlalu lambat akan menyababkan kurangnya torsi dan pemborosan bahan bakar
Jenis Pengapian
6. Jenis Ignition Timing
A. Timing Advance (Kecepatam tinggi) Pengapian terjadi pada tahap awal kompresi.
B. Timing Retard (Kecepatan rendah)
Pengapian Terjadi pada tahap akhir kompresi 7. Hubungan SAP, Torque System dan Engine Speed
Pada dasarnya waktu pengapian (ignition timing) ditentukan untuk mendapatkan pembakaran yang optimum, dengan demikian diharapkan akan mengahasilkan power yang maksimum dan emisi gas buang yg minimum di semua rpm. Akan tetapi penentuan waktu pengapian ini dibatasi oleh knocking dibagian atas dan kerugian kompresi .
Pada gambar di atas, untuk mendapatkan torsi maksimal pada 1200 rpm di 394 Nm ternyata dibatasi oleh knocking jika pengapian diletakkan di 18 deg BTC, oleh karena itu titik pengapian diturunkan sampai titik aman (1% dibawah MBT/maximum brake torque) di 16 deg BTC, dengan torsi yang dihasilkan 380 Nm. Torsinya memang lebih kecil dari
torsi maksimal yang bisa dicapai, akan tetapi lebih aman terhadap knocking. Kita lihat bahwa perubahan engine speed (rpm) diikuti perubahan waktu pengapian untuk mendapatkan torsi optimumnya, 1200 –> 16deg, 1600 –> 18deg, 2000 –> 19deg, dst.
Jika kita lihat posisi pengapian dalam satu siklus seperti tampak pada gambar berikut:
a.Pengapian di Zb terlalu maju menghasilkan knocking.
b.Pengapian di Zc terlalu mundur mesin kehilangan kompresi, power turun drastic
c.Pengapian di Za yang pas, kira peak power pressure terletak di 15 degTDC, model seperti inilah yang kita inginkan pada setiap rpm
8. Pemodelan
Pada Throttle
Persamaan :
̇ = ̇ − ̇
Dengan :
̇
̇ ̇ : laju massa udara yang berada pada intake manifold, : laju massa udara yang masuk ke intake manifold,
: laju massa udara yang meninggalkan pada intake manifold.
Pada Intake Manifold
Persamaan :
̇ = . . .
1
Dengan :
: massa udara pada intake manifold (kg) : efisiensi volumetrik
: displacement volume (m3)
: kecepatan mesin (rad/s)
Pada Fuel Subsystem
Persamaan :
̇ = . ̈ + ̇
Dengan : ̇
̇ : laju bahan bakar yang ditentukan (kg/s)
: laju bahan bakar yang masuk ke ruang pembakaran (kg/s) : rasio udara-bahan bakar yang diinginkan
: waktu efektif pengisian bahan bakar
Pada Torque Subsystem
Persamaan :
̇ ( − ∆ )
= . . ( − ∆ ). ( − ∆ )
( − ∆ )
Dengan:
∆ : delay antara intake dengan penghasilan torsi
∆ : delay antara pengapian dengan penghasilan torsi : kapasitas maksimum penghasilan torsi pada mesin : normalisasi fungsi pengaruh rasio udara-bahan bakar : normalisasi fungsi pengaruh pengapian
9. Perancangan Sistem Kontrol Kontrol Fuzzy-PI Hybrid
Dalam pengujian diberi variasi masukan throttle berupa sudut 18,327 derajat dengan torsi dari luar sebesar nol.
Perbandingan spark advance sistem tanpa kontrol dan kontrol hybrid PI
Perbandingan torsi sistem tanpa kontrol dan kontrol hybrid PI
Perbandingan kecepatan sistem tanpa kontrol dan kontrol hybrid PI
Sistem dengan kontrol hybrid fuzzy PI mampu memperbaiki nilai spark advance sistem tanpa kontroler. Pada unjuk kerja sistem tanpa kontroler, dengan waktu pengapian (ignition timing) pada posisi spark advance 10 derajat diperoleh nilai kecepatan yang tidak mencapai referensi dengan error sebesar 53 rpm dan torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 43,75 Nm.
Sistem kontrol hybrid fuzzy PI memperbaiki posisi spark advance dimajukan sebesar 2,91
derajat menjadi 12,91 derajat, dan kecepatan mampu mencapai referensi dengan error sebesar 0 rpm dan torsi maksimal yang dihasilkan sebesar 52,48 Nm. Berdasarkan hasil analisis dari kedua sistem tersebut dapat diketahui bahwa sistem dengan kontrol hybrid fuzzy PI memiliki nilai error yang lebih kecil serta memiliki keluaran torsi yang lebih besar.
Kontrol Fuzzy
Subsistem pada SI engine yang akan dikontrol adalah torque subsystem pada bagian torque production. Dengan pemodelan tersebut dalam penelitian ini nilai torsi akan dibuat sebagai referensi pada nilai tertentu dan spark advance digunakan untuk sinyal kontrol agar nilai torsi actual memiliki error yang kecil dengan referensi.
Sistem Kontrol Torsi pada MATLAB Simulink dimana sinyal kontrol berupa Spark Advance
Gambar diatas merupakan diagram block perancangan sistem kontrol torsi dengan sinyal kontrol berupa spark advance. Subsistem yang akan dikontrol adalah torque subsystem pada bagian torque production. Dengan pemodelan tersebut dalam penelitian ini nilai torsi akan dibuat sebagai referensi pada nilai tertentu dan spark advance digunakan untuk sinyal kontrol agar nilai torsi actual memiliki error yang kecil dengan referensi.
Pemodelan Kontroler Fuzzy Pada SI Engine
Pada gambar diatas merupakan input error menggunakan fungsi keanggotaan bentuk segitiga dengan 5 fungsi keanggotaan yang nilai batas fungsi keanggotaan berdasarkan trial dan error pada saat system tidak ada controller.
Pemodelan Kontroler Fuzzy Pada SI Engine
Pada gambar diatas merupakan input delta error menggunakan fungsi keanggotaan bentuk segitiga dengan 5 fungsi keanggotaan yang nilai batas fungsi keanggotaan berdasarkan trial dan error pada saat system tidak ada controller.
Pemodelan Kontroler Fuzzy pada SI Engine
Pada gambar diatas merupakan output menggunakan fungsi keanggotaan bentuk segitiga dengan 5 fungsi keanggotaan yang nilai batas fungsi keanggotaan berdasarkan trial dan error pada saat system tidak ada controller. Output tersebut yang akan menjadi nilai sinyal kontrol berupa spark advance position.
Pengujian Sistem
Pengujian terhadap kinerja sistem ini meliputi pengujian yaitu:
1. Pengujian pada keluaran torsi mesin.
2. Pengujian pada keluaran kecepatan mesin (engine speed).
3. Pengujian pada keluaran spark timing berupa SA.
Untuk analisa kinerja system ini dengan membandingkan keluaran system terkontrol dengan system tanpa kontroler pada nilai spark advance 15. Sistem kontrol yang baik adalah system yang memiliki error mendekati nol atau nol dalam waktu yang cepat.
Keluaran Torsi Mesin pada Spark Ignition Engine
Pada gambar diatas dapat dilihat garis kuning merupakan torsi yang diinginkan, warna pink merupakan torsi yang terkontrol dan warna cyan merupakan torsi yang tidak terkontrol.
Nilai torsi keluaran memiliki overshoot yang tinggi dengan nilai 85 Nm/(kg/s) kemudian dapat mengikuti nilai dari referensi yang berkisar pada nilai 51 Nm/(kg/s) namun sitem masih berosilasi.
Keluaran Kecepatan Mesin pada Spark Ignition Engine
Pada gambar diatas dapat dilihat warna pink merupakan kecepatan mesin yang terkontrol dan warna cyan merupakan kecepatan mesin yang tidak terkontrol. Nilai keluaran kecepatan mesin trek naik sampai angka puncak 3700 RPM kemudian turun.
Nilai Spark Advance pada Spark Ignition Engine
Pada gambar diatas dapat dilihat kurva warna pink merupakan nilai dari spark advance yang menjadi sinyal kontrol dari kontrol torsi mesin. Nilai dari SAP terus berosilasi dengan nilai puncak atas 17,8 derajat dan puncak bawah 12 derajat.
10. Kesimpulan
Pada kontroler fuzzy didapatkan output:
- Nilai keluaran torsi mesin memiliki overshoot yang tinggi, kemudian dapat mengikuti nilai dari referensi namun sitem masih berosilasi.
- Nilai keluaran kecepatan mesin trek naik sampai angka puncak kemudian turun.
- Nilai dari SAP terus berosilasi.
Pada kontroler PI Hybrid :
- Sistem dengan kontrol hybrid fuzzy PI memiliki nilai error yang lebih kecil serta memiliki keluaran torsi yang lebih besar.
