PENINGKATAN EFISIENSI BAHAN BAKAR DENGAN DESAIN DAN IMPLEMENTASI AIR TO FUEL RATIO (AFR) DAN BRAKE CONTROL SYSTEM PADA MESIN BERBAHAN BAKAR BENSIN

(1)

LAPORAN PENELITIAN

PENINGKATAN EFISIENSI BAHAN BAKAR

DENGAN DESAIN DAN IMPLEMENTASI

AIR TO FUEL RATIO (AFR)

DAN BRAKE CONTROL SYSTEM

PADA MESIN BERBAHAN BAKAR BENSIN

Disusun oleh:

SUROTO MUNAHAR, ST, MT

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAGELANG

(2)

HALAMAN PENGESAHAN

Judul Penelitian : Peningkatan efisiensi bahan bakar Dengan desain dan implementasi Air to fuel ratio (AFR) dan

Brake Control System Pada Mesin Berbahan

Bakar Bensin Peneliti/ Pelaksana a. Nama Lengkap b. NIDN c. Jabatan Fungsional d. Program Studi e. Nomor HP

f. Alamat surel (e-mail) : : : : : : Suroto Munahar, ST., MT 0620127805 - Mesin Otomotif 085740742923 [email protected] Anggota Peneliti (1)

Tahun Pelaksanaan : Tahun Ke 1 dari rencana 1 tahun Biaya Tahun Berjalan

Biaya Keseluruhan : : Rp. 6.000.000,- Rp. 6.000.000,- Mengetahui/menyetujui

Dekan Fakultas Teknik

Yun Arifatul Fatimah, ST, MT, Ph.D NIDN. Magelang, Mei 2016 Ketua Peneliti Suroto Munahar, ST, MT. NIDN. Menyetujui, Ketua LP3M

Universitas Muhammadiyah Magelang

(Dr. Suliswiyadi, M.Ag) NIP/NIK. 966610111

(3)

ABSTRAK

Peningkatan Efisiensi Bahan Bakar Dengan Desain dan Implementasi Air To Fuel Ratio (AFR) dan Brake Control System

pada Mesin Berbahan Bakar Bensin.

Disusun oleh :

SUROTO MUNAHAR NIM. 21050113420032

Perkembangan sistem kontrol internal combustion engine saat ini berorientasi pada emisi gas buang, kinerja dan efisiensi bahan bakar. Hal ini disebabkan oleh kenaikan harga minyak yang menyebabkan krisis pada sektor transportasi, untuk itu sangat diperlukan teknologi kendaraan hemat bahan bakar. Efisiensi bahan bakar mesin bensin dapat ditingkatkan dengan beberapa metode diantaranya dengan mengendalikan AFR. Teknologi AFR saat ini masih memiliki permasalahan, diantaranya pengaturan AFR bersifat kontrol internal engine, sehingga efisiensi dapat ditingkatkan. Brake control system merupakan sistem

ekternal engine yang digunakan dalam penelitian. Tujuan penelitian ini yaitu

untuk merancang dan mengimplementasikan sistem AFR dan brake control

system pada kendaraan dalam meningkatkan efisiensi bahan bakar mesin bensin

saat dilakukan pengereman.

Metode yang digunakan dengan mengurangi konsumsi bahan bakar yang masuk ke engine ketika dilakukan pengereman. Sistem kontrol yang diaplikasikan dalam kendaraan bekerja menggunakan Fuzzy Logic Controller (FLC). Saat kendaraan dilakukan pengereman, bahan bakar yang dinjeksikan ke engine akan dikontrol oleh ECU brake control system. Sistem kontrol ini bekerja secara pararel terhadap sistem kontrol defaultnya kendaraan.

Hasil penelitian menunjukkan, ketika putaran engine melebihi 2500 RPM nilai AFR mengalami kenaikan sangat besar, sehingga efisiensi tercapai paling maksimal. Pada putaran engine kurang dari 2500 RPM, nilai AFR mencapai nilai 22. Saat pengukuran bahan bakar telah mampu menunjukkan penurunan konsumsi bahan bakar dari 6 liter menjadi 4 liter dengan jarak tempuh 50,7 km. Peningkatan efisiensi bahan bakar dapat tercapai sebesar kurang lebih 33,3 %.

Kata kunci : AFR, brake control system, ECU, efisiensi, fuel injection, engine.

(4)

ABSTRACT

Improvement of Fuel Efficiency by Designing and Implementing Air to Fuel Ratio (AFR) and Brake Control System on Gasoline Engine

By

SUROTO MUNAHAR NIM. 21050113420032

The development of the internal combustion engine control system is currently oriented on exhaust emissions, performance and fuel efficiency. This is caused by rising fuel prices which led to a crisis on the transport sector, thefore it is crucial technology for fuel-efficient vehicles. Gasoline engine fuel efficiency can be improved by several methods such as by controlling the AFR. Currently AFR technology still has problems, including the AFR settings which are internal engines control whose efficiency can be improved. Brake control system is a system of external engine used in the study. The purpose of this study is to design and implement the AFR system and brake control system in a vehicle to improve fuel efficiency of gasoline engines at the time of braking.

The method used was to reduce the consumption of fuel that enters the engine when braking. The applied control system on vehicle worked using Fuzzy Logic Controller (FLC). When the vehicle brakes, injected fuel to the engine is controlled by the ECU brake control system. This control system worked in parallel to the vehicle control system default.

The results show that when the engine speed exceeds 2500 RPM, AFR value increased very big, so that maximum efficiency is achieved. At engine speed less than 2500 RPM, AFR value reaches a value of 22. When the fuel measurement has been able to show a decrease in fuel consumption of 6 liters to 4 liters within the distance of 50.7 km. Improvement of fuel efficiency can be achieved by approximately 33.3%.

Keywords : AFR, brake control system, efficiency, fuel injection, engine.

(5)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Alloh SWT yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya kepada Penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini yang merupakan serangkaian tahap untuk memperoleh meningkatkan IPTEK.

Penulis berharap dalam menyelesaikan penelitian ini dapat selesai dengan cepat, tepat dan akurat. Hal tidak lepas dari bantuan orang-orang yang dengan segenap hati memberikan bantuan, bimbingan dan dukungan, baik moral maupun material. Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:

1. Dr. Aris Triwiyatno, ST, MT dan Joga Dharma Setiawan,B.Sc, M.SC, Ph.D selaku Pembimbing dan pengarah.

2. Ibu, Keluarga dan Istri yang telah memberikan dorongan, do’a dan semangatnya.

3. Mas Amir, Mas Dani, Pak Rudy, Mbak Farika, Mas Sofyan, Mas Herman atas bantuannya dalam proses pelaksanaan penelitian ini.

4. Mas Yoga Teknik Elektro Universitas Diponegoro atas segala bantuannya. 5. Staf dan Karyawan tata usaha Teknik Mesin Universitas Diponegoro .

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan ini terdapat kekurangan dan keterbatasan, oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya membangun untuk kesempurnaan dan kemajuan penulis dimasa yang akan datang sangat diharapkan. Akhir kata penulis berharap semoga Tesis ini dapat bermanfaat bagi seluruh pembaca.

Semarang, 13 Agustus 2015 Penulis

( Suroto Munahar)

(6)

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ………...…………... i HALAMAN PENGESAHAN ... ii ABSTRAK ... iii ABSTRACT ... iv KATA PENGANTAR ... v DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR LAMPIRAN ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR LAMBANG & SINGKATAN ... xv

BAB 1 PENDAHULUAN ... 1 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Perumusan Masalah ... 4 1.3 Tujuan Penelitian ... 4 1.4 Manfaat Penelitian ... 4

1.5 Batasan Masalah Penelitian... 5

1.5 Metodologi Penelitian ... 5

1.6 Sistematika Penulisan ... 6

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 7

2.1 Gasoline Engine ... 10

2.2 Air to Fuel Ratio ... 10

2.3 Brake System ... 10

2.4 Sistem kontrol ... 12

2.5 Programmable Logic Controller ... 13

2.6 Sensor ... 14

2.7 Fuel Injection ... 15 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN dan PERANCANGAN ...

3.1 Analisa Permasalahan Efisiensi Bahan Bakar ... 3.2 Diagram Alir Penelitian ... 3.3 Metode Penelitian ... 3.4 Rancangan Model Kontrol AFR ... 3.5 Rancangan Model Kontrol AFR dengan brake control system

Hardware ...

3.6 Rancangan sistem kontrol AFR software ... 3.7 Rancangan sistem kontrol AFR hardware ... 3.8 Data acquisition ... 17 17 20 24 25 32 32 32 37 vi

(7)

3.9 Matlab ... 3.10 Pembuatan Prototipe ... 3.11 Pengujian Hardware ... 3.12 Peralatan yang digunakan dalam penelitian ... BAB 4 HASIL DAN ANALISA ... 4.1 Data Acquisisi ... 4.2 Simulasi AFR Modeling ... 4.3 Standarisasi pengujian efisiensi bahan bakar... 4.4 Data Air to Fuel Ratio (AFR) hasil pengujian kendaraan berjalan ... 4.5 Pengukuran data AFR pada jalan mendatar ... 4.6 Pengukuran data AFR pada jalan membelok ... 4.7 Pengukuran data AFR pada jalan menanjak ... 4.8 Pengukuran data AFR pada jalan menurun ... 4.9 Data Air to Fuel Ratio (AFR) Saat Pengujian Kendaraan Berhenti ... 4.10 Pengukuran konsumsi bahan bakar ... 4.11 Perbandingan Antara Simulasi AFR dengan Hasil

Pengukuran AFR ... 4.12 Validasi Penelitian ... 4.13 Analisa statistik ... BAB 5 PENUTUP ... DAFTAR PUSTAKA... LAMPIRAN ... 39 39 39 40 41 42 46 47 48 61 68 70 76 76 77 85 93 100 102 105 vii

(8)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran A Spesifikasi Microcontroller ... 126

Lampiran B Modul Data Aquisisi ... 127

Lampiran C Engine Gas Anlyser ... 128

Lampiran D Pengujian kendaraan ... 129

Lampiran E Electronic Computer Unit Brake Control System ... 130

Lampiran F Rangkaian filtering ... 131

Lampiran G Rangkaian brake control & transmission gear position sensor ... 132

Lampiran H Engine Modeling ... 133

Lampiran H.1 Spark ignition engine sub system ... 134

Lampiran H.2 AFR modeling dengan Matlab Simulink ... 135

Lampiran H.3 Posisi throttle valve saat langkah akselerasi ... 136

Lampiran H.4 Sinyal brake pedal saat langkah pengereman tidak diaktifkan ... 137

Lampiran I Hardware Data Acquisition ... 138

Lampiran I.1 Data Acquisition CMP volt putaran rendah dengan filtering.. 139

Lampiran I.2 Data Acquisition CMP volt putaran tinggi dengan filtering ... 142

Lampiran I.3 Data Acquisition CMP volt tanpa filtering ... 145

Lampiran J Peralatan sistem kontrol dalam penelitian ... 148

Lampiran K Switch control transfer ... 149

Lampiran L Komponen untuk rangkaian filtering ... 150

Lampiran M Injector tester ... 151

Lampiran N Sensor yang digunakan dalam penelitian ... 152

Lampiran O Inverter dan Control switch ... 154

Lampiran P Adaptor ... 155

Lampiran Q Intalasi wiring sistem kontrol pada unit kendaraan ... 156

Lampiran R Data putaran mesin dari data Acquisition ... 157

Lampiran S Data putaran mesin dari Engine Scan... 160

Lampiran T Data statistik yang diolah dengan SPSS ... 163

Lampiran U Spesifikasi microcontroller minimal ... 170

Lampiran V Membership Functions dan Rules Fuzzy Logic Controller .... 171

Lampiran W Grafik CMP sensor pada putaran tinggi ... 173

Lampiran X Data CMP Sensor pada putaran tinggi tanpa filtering ... 174

Lampiran Y Data CMP Sensor pada putaran tinggi dengan filtering ... 175

Lampiran Z Grafik frekuensi pengereman dan Data Pengujian Pengulangan pada Sistem Kontrol ... 180

(9)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Jumlah Kendaraan Bermotor Menurut Jenis tahun 1987 –

2013 ... ₁

Gambar 2.1 Rule Base Split braking system dalam kendaraan hybrid... 11

Gambar 2.2 Struktur umum fuzzy logic... 12

Gambar 2.3 MAF sensor tipe air flow meter... 14

Gambar 3.1 Diagram fishbone untuk menganalisa akar permasalahan ... 17

Gambar 3.2 Main Flow Chart ………... 20

Gambar 3.3 Preliminary Flow Chart... 21

Gambar 3.4 Data Acquisisi Flow Chart ... 21

Gambar 3.5 Desain Controller Flow Chart ... 22

Gambar 3.6 Perubahan AFR flow chart ... 23

Gambar 3.7 Block diagram gasoline engine modeling... 26

Gambar 3.8 Vehicle dynamics model ... 32

Gambar 3.9 Block diagram kontrol AFR dan Brake Control System ... 32

Gambar 3.10 Fuzzy logic controller untuk simulasi ... 33

Gambar 3.11 Fuzzy logic controller untuk embedded system ... 34

Gambar 3.12 Programmable logic controller (PLC) ladder ... 34

Gambar 3.13 Brake control system wiring diagram ... 35

Gambar 3.14 Arduino UNO ... 38

Gambar 4.1 Diagram blok data acquisition ... 41

Gambar 4.2 Sinyal CMP sensor ... 42

Gambar 4.3 Simulation AFR modeling saat dilakukan pengereman pada transmisi speed gear 2 ... 43

Gambar 4.4 Simulasi putaran engine saat dilakukan pengereman ... 43

Gambar 4.5 Simulation AFR modeling saat dilakukan pengereman pada transmisi speed gear 3 ... 44

Gambar 4.10 Simulasi putaran engine saat dilakukan pengereman ... 46

Gambar 4.11 Data AFR saat dilakukan pengereman dengan posisi transmisi speed gear 2 jalan mendatar ... 49

Gambar 4.12 Data putaran engine tinggi pada jalan mendatar ... 49

Gambar 4.13 Data AFR putaran engine menengah saat transmisi posisi speed gear 2 ... 50

(10)

Gambar 4.14 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan mendatar ... 50 Gambar 4.15 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gear 2 ... 51 Gambar 4.16 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan mendatar... 51 Gambar 4.17 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear 3 ... 52 Gambar 4.18 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan mendatar ... 52 Gambar 4.19 Data AFR putaran engine menengah saat transmisi posisi

speed gear 3 ... 53 Gambar 4.20 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan

mendatar ... 53 Gambar 4.21 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gear 3 ... 54 Gambar 4.22 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan mendatar .. 54 Gambar 4.23 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear 4 ... 55 Gambar 4.24 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan mendatar ... 55 Gambar 4.25 Data AFR saat dilakukan pengereman dengan posisi

transmisi speed gear 4 jalan mendatar ... 56 Gambar 4.26 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan

mendatar ... 56 Gambar 4.27 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gear 4 ... 57 Gambar 4.28 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan mendatar... 57 Gambar 4.29 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear 5 ... 58 Gambar 4.30 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan

mendatar... 58 Gambar 4.31 Data AFR putaran engine menengah saat transmisi posisi

speed gear 5 ... 59

Gambar 4.32 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan mendatar... 59 Gambar 4.33 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gea 5 ... 60 Gambar 4.34 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan mendatar .. 60 Gambar 4.35 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear 2 ... 62 Gambar 4.36 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan membelok.. 62 Gambar 4.37 Data AFR putaran engine menengah saat transmisi posisi

speed gear 2 ... 63 x

(11)

Gambar 4.38 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan membelok ... 63 Gambar 4.39 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gear 2 ... 64 Gambar 4.40 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan membelok.. 64 Gambar 4.41 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear 3 ... 65 Gambar 4.42 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan membelok.. 65 Gambar 4.43 Data AFR putaran engine menengah saat transmisi posisi

Gambar 4.44 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan membelok ... 66 Gambar 4.45 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gear 3 ... 67 Gambar 4.46 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan membelok.. 67 Gambar 4.47 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear 2 ... 68 Gambar 4.48 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan menanjak.... 68 Gambar 4.49 Data AFR putaran engine menengah saat transmisi posisi

Gambar 4.50 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan menanjak ... 69 Gambar 4.51 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear2 ... 70 Gambar 4.52 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan menurun .... 70 Gambar 4.53 Data AFR putaran engine menengah saat transmisi posisi

Gambar 4.54 Data RPM saat engine berputar menegah pada jalan menurun... 71 Gambar 4.55 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gear 2 ... 72 Gambar 4.56 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan menurun .. 72 Gambar 4.57 Data AFR putaran engine tinggi saat transmisi posisi speed

gear 3 ... 73 Gambar 4.58 Data RPM saat engine berputar tinggi pada jalan menurun .... 73 Gambar 4.59 Data AFR putaran engine memengah saat transmisi posisi

Gambar 4.60 Data RPM saat engine berputar menengah pada jalan menurun ... 74 Gambar 4.61 Data AFR putaran engine rendah saat transmisi posisi speed

gear 3 ... 75 Gambar 4.62 Data RPM saat engine berputar rendah pada jalan menurun.. 75

(12)

Gambar 4.63 Simulasi AFR modeling pada transmisi posisi speed gear 2.... 78 Gambar 4.64 Simulasi putaran engine saat pengereman... 78 Gambar 4.65 Data AFR saat transmisi posisi speed gear 2 ... 78 Gambar 4.66 Data putaran engine saat pengereman ... 78 Gambar 4.67 Simulasi AFR modeling pada transmisi posisi speed gear 3.... 80 Gambar 4.68 Simulasi putaran engine saat pengereman ... 80 Gambar 4.69 Data AFR saat transmisi posisi speed gear 3 ... 80 Gambar 4.70 Data putaran engine saat pengereman ... 80 Gambar 4.71 Simulasi AFR modeling pada transmisi posisi speed gear 4.... 82 Gambar 4.72 Simulasi putaran engine saat pengereman ... 82 Gambar 4.73 Data AFR saat transmisi posisi speed gear 4 ... 82 Gambar 4.74 Data putaran engine saat pengereman ... 82 Gambar 4.75 Simulasi AFR modeling pada transmisi posisi speed gear 5.... 84 Gambar 4.76 Simulasi putaran engine saat pengereman ... 84 Gambar 4.77 Data AFR saat transmisi posisi speed gear 5 ... 84 Gambar 4.78 Data putaran engine saat pengereman ... 84 Gambar 4.79 Grafik simulasi throttle angle dari dari journal internasional

dan software AFR modeling yang dikembangkan ... 86 Gambar 4.80 Grafik simulasi AFR dari dari journal internasional dan

rancangan software AFR modeling yang dikembangkan... 88 Gambar 4.81 Engine speed (RPM) dari data acquisition dan engine scan

pada putaran rendah ... 90 Gambar 4.82 Engine speed (RPM) dari data acquisition dan engine scan

pada putaran menengah ... 91 Gambar 4.83 Engine speed (RPM) data acquisition dan engine scan pada

putaran tinggi ... 92

(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Peralatan mendukung dalam penelitian ... 40

Tabel 4.1 Hasil pengukuran konsumsi bahan bakar ... 61

Tabel 4.2 Test of Homogeneity of Variances data AFR ... 93

Tabel 4.3 Anova data AFR ... 94

Tabel 4.4 Homogeneous subset speed gear 2, 3,4 dan 5 ... 94

Tabel 4.5 Test of Homogeneity of Variances data AFR kontrol ... 95

Tabel 4.6 Anova data AFR kontrol ... 95

Tabel 4.7 Homogeneous subset posisi speed gear 2, 3, 4 dan 5 ... 95

Tabel 4.8 Test of Homogeneity of Variances data AFR dengan kontrol.. 96

Tabel 4.9 Anova data AFR dengan kontrol ... 96

Tabel 4.10 Test of Homogeneity of Variances data AFR ... 97

Tabel 4.12 Test of Homogeneity of Variances data AFR dengan kontrol... 97

Tabel 4.14 Test of Homogeneity of Variances data AFR dengan kontrol... 98

Tabel 4.16 Test of Homogeneity of Variances ... 99

(14)

(15)

Daftar Singkatan dan Lambang SINGKATAN Nama Pemakaian pertama kali pada halaman AC Alternating Current 33

AFR Air to Fuel Ratio i

AFFC Adaptive FeedForward Controller 8

ANN Artificial Neural Network 8

APC Adaptive Posicast Controller 8

CMP Cam Shaft Position Sensor 5

DAQ Data acquisition 5

DC Direct Current 24

ECU Electronic Control Unit v

FLC Fuzzy Logic Controller v

FPGA Field Programmable Gate Array 38

GDI Gasoline Direct Injection 9

MIMO Multi input multi output 3

MAP Manifold Absolute Pressure Sensor 5

MAF Mass Air Flow Sensor 14

MPC Model Predictive Control 7

OECD Organisation for Economic Co-operation and

Development 1

PID Proportion Integrated Devariative 7

PID Proportion Integrated 7

PLC Programmable Logic Controller 13

RBF Adaptive Radial Basis Function 7

SA Spark Advance 2

SI Spark Ignition 7

SA Algoritma Genetic 7

TPS Throtle Position Sensor 15

TBI Throttle Body Injection 15

LAMBANG Nama Satuan

Pemakaian pertama kali pada halaman

Pb Load power [kW] 27

Pf Friction power [kW] 27

Manifold pressure [bar] 26

R Gas contant 26

Rfd Final drive ratio. 29

(16)

Rload0,Rload2 Friction&aerodynamics drag coefficients

29

T

EGR Egr temperature (K) 26

Tload Load and brake torques. 29

Tload, Tbrake Vehicle inertia. 29

i _{Intake manifold temperatur (K).} [Kelvin] ₂₇

Iv Vehicle inertia. 29

Hu fuel lower heating value [kJ/kg] 27

ṁap Massa aliran udara dalam [kg/s] 26

ṁat Massa aliran udara pada throttle

valve [Kg/s] 26

ṁfv Fuel vapor mass flow [kg/s] 28

ṁff Fuel film mass flow [kg/s] 28

Ƞi Indicated effiency [kg/s] 27

n crankshaft speed [krpm] 27

Nw Wheel speed [Rpm] 29

K Ratio of spesifics heat = 1.4 for

air 27

λ lamda 7

Vi Manifold + port passage [m³] 27

(17)

Bab 1

Pendahuluan

1.1 Latar Belakang

Perkembangan sistem kontrol dibidang teknologi internal combustion

engineotomotif selama 30 tahun terakhir berorientasi pada emisi gas buang,

kinerja dan efisiensi bahan bakar (Karagiorgis S.dkk, 2007). Hal ini dilatarbelakangi oleh pertumbuhan kendaraan tiap tahun mengalami kenaikan cukup pesat, sehingga kebutuhan minyak semakin meningkat. Berdasarkan data dari Badan Pusat Statistik Indonesia tahun 2013 jumlah kendaraan telah mencapai 104.118.969 unit terlihat pada Gambar 1.1.

Gambar 1.1 Grafik jumlah kendaraan bermotor menurut jenis tahun 1987 sampai 2013 (Badan Pusat statistik, 2015).

Ketersediakan minyak dunia saat ini tidak mengalami kenaikan. Pasokan minyak mentahstaknis tidak mengalami penambahan sejak tahun 2005 (Tverberg, 2012) bahkan pada periode selanjutnya mengalami penurunan. Imbas dari kejadian ini menjadi menyebab kenaikan harga bahan bakar minyak. Menurut data

Organisation for Economic Co-operation and Development (OECD) harga

minyak mentah dari tahun 2004 sampai tahun 2014 mengalami peningkatan signifikan (Kolesnikov, 2014). Kenaikan harga ini menjadi penyebab utama keterpurukan ekonomi diberbagai sektor terutama sektor transportasi.

1 Tahun Million

(18)

Keterpurukan ekonomi bidang transportasi yang menyebabkan kenaikan harga minyak, maka dikembangkan teknologi transportasi dengan memiliki efisiensi tinggi. Teknologi transportasi pada kendaraan mesin berbahan bakar bensin untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar ada beberapa metode. Pertama dengan metode optimalisasi Spark Advance – SA (Zhao J.dan Xu M., 2013). Metode optimalisasi SA adalah suatu metode untuk mengendalikan penyalaan api pada busi dengan tegangan tinggi saat piston pada beberapa derajat sebelum titik mati atas piston sesuai dengan kondisi mesin. Kedua pengaturan Air to Fuel Ratio -

AFR atau rasio antara campuran bahan bakar dengan udara (Ebrahimi B. dkk,

2012;Zhai Y.J. dan Yu D.L., 2009; Yildiz Y. dkk, 2010). Penelitian ini melakukan pengendalian AFR untuk dapat mencapai nilai rasio yang ideal, sehingga dengan pencapaian nilai ini efisiensi bahan bakar dapat ditingkatkan, namun penelitian masih bersifat kontrol internal engine. Ketiga pengembangan sistem teknologi

hybrid (Kheir N. dkk, 2004). Peningkatan efisiensi bahan bakar menggunakan

metode hybrid system ini dengan mengkolaborasikan antara mesin bensin dan motor listrik dengan fuzzy logic controller. Kekurangan metode hybrid engine memiliki performa yang dihasilkan lebih kecil dibandingkan dengan performa

gasoline engine serta masih memiliki harga sangat mahal. Keempat penggunaan

energi alternatif, diantaranya dengan penambahan ethanol (MauryaR.K. dan Agarwal A.K., 2011), methanol (Pourkhesalian A.M. dkk, 2010) maupun dengan sistem lainnya. Penggunaan energi alternatif untuk gasoline engine saat ini mulai dikembangkan untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar dan meningkatkan performa engine. Metode ini memiliki kelemahan yaitu resource bahan bakar alternatif sangat terbatas jumlahnya, dari beberapa metode yang ada, cara paling sesuai di negara ini dalam peningkatan efisiensi bahan bakar adalah dengan pengaturan AFR, karena metode ini membutuhkan biaya tidak terlampau mahal dan dapat diaplikasikan di kendaraan secara meluas.

Pengaturan AFR ada beberapa metode yang digunakan. Metode pertama dengan pengaturan AFR dikendalikan oleh vakuum yang dibangkitkan dari

engine. Kelemahan metode ini untuk mencapai rasio ideal sulit tercapai, sehingga

bahan bakar cenderung lebih boros. Hal Ini disebabkan proses pencampuran bahan bakar dengan udara menggunakan sistem kevakuman yang dihasilkan dari

(19)

piston dalam engine. Metode kedua dengan cara menginjeksikan bahan bakar ke

engine baik secara langsung (direct injection)(Gäfvert M. dkk, 2004) maupun

tidak langsung (in direct injection). Metode ini memiliki kelebihan yaitu pencapaian ratio antara udara dan bahan bakar pada kondisi ideal dapat mudah dicapai tetapi membutuhkan perawatan dan perlakuan khusus. Tercapainya rasio ideal menyebabkan bahan bakar menjadi lebih efisien, torsi besar dan emisi gas buang rendah .

Rasio spesifikasi panas engine (Ceviz, 2005) dapat mempengaruhi AFR.

AFR dapat mempengaruhi emisi gas buang (Zervas E. dkk, 2004), pada kondisi

tertentu untuk menurunkan emisi gas buang ditambah dengan bahan tambah (Zervas E. dkk, 2001; Wu C.W. dkk, 2004). Penelitian ini melakukan investigasi pengaruh air to fuel ratio dengan penambahan bahan tambah dalam menurunkan emisi gas buang. Perkembangan kontrol AFR sangat pesat diantara dengan aplikasi fuzzy logic controller (Jansri A. dan Sooraksa P., 2012; Efimov V.D. dkk, 2014; Bouarar T. dkk, 2010; Wu S. dkk, 2014). Fuzzy logic controller memiliki kelebihan yaitu kestabilan sistem yang dikontrol relatif baik, dapat melakukan penyelesaian permasalahan terhadap sistem yang bersifat black box serta dapat diaplikasikan dengan metode multi input multi output (MIMO). Metode yang lain dengan aplikasi neural network (Arsie I. dkk, 2006; Zhai Y.J dkk, 2010). Metode ini memiliki kelemahan yaitu memerlukan training yang banyak untuk mendapatkan hasil optimal.

Teknologi AFR saat ini masih memiliki permasalahan, diantaranya teknologi yang ada dikuasai oleh negara – negara maju di luar negeri dan bersifat

black box. Proses pengaturan AFR sebagian besar dalam ruang lingkup internal engine belum mengintegrasikan dengan sistem eksternal engine. Melihat

permasalahan di atas perlu diadakan penelitian ditingkat universitas untuk pengembangan iptek yang dapat mengembangkan teknologi pengaturan AFR dengan mengintegrasikan eksternal sistem engine.

Brake control system merupakan salah satu bagian dari kendaraan yang

digunakan untuk memperlambat dan menghentikan kendaraan saat bergerak. Prinsip dasarnya ketika kendaraan sistem rem (brake control system ) diaktifkan mesin tidak berfungsi sebagai penggerak tetapi hanya kondisi standby. Kondisi

(20)

tertentu mesin digunakan untuk memperlambat kendaraan. Berdasarkan kondisi ini brake control system dapat dijadikan sebagai salah satu mengendalikan AFR pada engine. Kerjanya ketika brake system dioperasikan, engine tidak membutuhkan daya untuk menggerakkan kendaraan, tetapi diperlukan daya untuk menghentikan kendaraan. Kondisi ini dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar. Untuk itu perlu dilakukan penelitian tentang sistem kontrol

AFR dan brake control system untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar bensin.

1.2 Perumusan Masalah

Pengendalian efisiensi bahan bakar dengan kontrol AFR pada mesin berbahan bakar bensin yang sudah dilakukan masih bersifat kontrol internal, sehingga efisiensi bahan bakar belum maksimal. Untuk itu perlu diadakan penelitian dalam meningkatkan efisiensi bahan bakar. Peningkatan efisiensi bahan bakar salah satunya dengan mengendalikan AFR yang diintegrasikan dengan sistem kontrol eksternal engine, diantara sistem eksternal engine yang dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar adalah brake control system.

Perumusan masalah dalam penelitian ini yaitu bagaimana merancang dan mengimplementasikansistem AFR dan brake control system pada kendaraan untuk meningkatkan efisiensi bahan bakar mesin bensin saat dilakukan pengereman.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini yaitu untuk merancang dan mengimplementasikan sistem AFR dan brake control system pada kendaraan dalam meningkatkan efisiensi bahan bakar mesin berbahan bakar bensin saat dilakukan pengereman.

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat penelitianyang akan dilaksanakan :

a. Terciptanya teknologi pengaturan AFR yang terintegrasi dengan sistem

eksternal engine.

b. Peningkatan efisiensi konsumsi bahan bakar bensin.

c. Membantu perkembangan teknologi efisiensi energi bahan pada sektor transportasi.

(21)

1.5 Batasan Masalah Penelitian

a. Penelitian ini fokus pada peningkatan efisiensi bahan bakar pada mesin bensin injeksi.

b. Mesin yang digunakan dalam penelitian menggunakan mesin mobil Toyota Tipe Soluna dengan bahan bakar bensin kapasitas 1500 cc .

c. Program desain kontrol menggunakan software Matlab.

d. Logika kontrol yang digunakan adalah fuzzy logic dan programmable logic

controller.

e. Tekanan udara yang diaplikasikan menggunakan tekanan udara saat penelitian.

f. Aplikasi kontrol pada transmisi manual.

g. Sensor yang digunakan pada penelitian yaitu Cam Shaft Position Sensor

(CMP), Brake Sensor, Transmission Position Sensor dan Manifold Absolute Pressure Sensor (MAP).

h. Pengukuran AFR dilakukan saat kendaraan dilakukan pengereman di jalan sepi.

i. Data acquisition dilakukan secara bertahap untuk mengukur kinerja bagian - bagian mesin.

1.6 Metodologi Penelitian

a. Studi Literatur.

Studi literatur dilakukan dengan cara mencari jurnal ilmiah berhubungan dengan teknologi kendaraan hemat bahan bakar yang telah dilakukan. Hal ini dilakukan untuk mencari sistem konfigurasi, dimensi, dan parameter lainnya yang telah digunakan. Studi Literatur dilakukan untuk mencari informasi tentang sistem karakteristik, skema, pola kontrol bahan bakar pada mesin bensin.

b. Studi lapangan

Studi lapangan dapat dilakukan dengan cara mengamati engine kendaraan pada saat ini untuk dilakukan pengamatan, agar dapat informasi akurat. Dengan melakukan studi lapangan, dapat mendapatkan informasi mengenai permasalahan yang muncul dalam sistem kontrol bahan bakar mesin bensin.

(22)

c. Diskusi dengan dosen pembimbing dan praktisi

Selain studi literatur dan studi lapangan, dilakukan juga diskusi dengan praktisi dan dosen pembimbing, agar mendapatkan masukan untuk meningkatkan kualitas penelitian.

1.7 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan laporan tesis yang direncanakan terdiri dari 5 bab, yaitu latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika penulisan dijabarkan pada bab 1. Pada bab 2 akan dijelaskan mengenai penelitian - penelitian yang relevan, dasar teori yang digunakan dan ulasan mengenai penelitian. Teori yang digunakan adalah gasoline engine, AFR, brake system, sistem control, fuzzy logic, programmable logic controller, sensor dan fuel injection.

Bab 3 berisi tentang diagram alir penelitian dan perancangan. Desain fuzzy

logic controller, programmable logic controller, data acquisition, sistem blok diagram control, implemantasi hardware. Bab 4 berisi proses penggolahan data acquisition, hasil desain fuzzy logic control dan programmable logic controller, embedded system ke microcontroller, uji kontrol AFR dan efisiensi bahan bakar

bensin.

Bab 5 berisi tentang kesimpulan dari hasil pembuatan dan saran untuk penelitian selanjutnya agar didapatkan hasil yang lebih baik. Daftar pustaka ditulis setelah bab 5 yang berisi tentang referensi materi yang digunakan. Setelah daftar pustaka, terdapat lampiran yang berisi mengenai data atau hasil tambahan yang berhubungan dengan penelitian.

(23)

Bab 2

Tinjauan Pustaka

Perkembangan sistem kontrol internal combustion engineatau mesin pembakaran dalam selama 30 tahun terakhir menitikberatkan pada beberapa faktor, diantaranya penekanan pada efisiensi bahan bakar (Karagiorgis S. dkk, 2007).Peningkatan efisiensi bahan bakar pada mesin pembakaran dalam terutama pada mesin berbahan bakar bensin ada beberapa metode yang ditempuh.

Metode pertama dengan mengatur AFR pada mesin untuk pencapaian pembakaran optimal (sesuai stoichiometry) pada posisi AFR sekitar 14,67 serta metode ini telah dilakukan (Ebrahimi B. dkk,2012). Peneliti ini melakukan pengontrolan AFR pada spark ignition engine dengan menggunakan compensator

closed loop system dengan variasi time delay filter PID telah mampu

mengendalikan AFR sehingga efisiensi bahan bakar dapat ditingkatkan. Penelitian peningkatan efisiensi bahan bakar dengan kontrol AFR dapat juga dilakukan dengan optimalisasi algoritma genetik (Zhao J. dan Xu M., 2013). Perkembangan sistem kontrol AFR mengalami kemajuan cukup pesat, diantaranya pengembangan adaptive Radial Basis Function (RBF)neural network (Wang S.W. dkk,2006). Peneliti inimelakukan training mengunakan metode recursive least

squares untuk pendekatan modeling AFR dynamic pada SI engine. Hasilnya

dengan metode model predictive control ditambah metode Hessian mampu mengendalikan AFR dan menyelesaikan masalah optimasi nonlinear dengan lebih baik. Seorang ilmuan mengembangkan aplikasi real time pada original closed

loop individual cylinder untuk mengendalikan AFR sebagai dasar analisa spektral

signal sensor lamda (Cavina N. dkk, 2010). Lamda merupakan perbandingan antara AFR terori dengan AFR secara nyata. Aplikasi ini diukur pada exhaust

manifold engine 4 silinder dengan kapasitas 1.2 liter telah membuktikan hasil

menggembirakan, dengan hasil pengukuran lamda perbedaan kurang dari 0.01. Pengaturan kontrol AFR dengan metode penggunakaan algoritma Fuzzi PI (Jansri A. dan Sooraksa P., 2012). Algoritma Fuzzi PI melakukan control AFR pada sistem nonlinear dengan metode tracking. Perkembangan kontrol AFR merambat keaplikasi neural network (Zhai Y.J dan Yu D.L, 2009). Zhai dengan neural

(24)

networknya mencoba melakukan pendekatan adaptive RBF model, menjadi dasar model predictive control diterapkan pada engine.

Pengawasan kontrol AFR (Efimo V.D. dkk, 2014) dikembangkan dengan pendekatan sistem model off line menggunakan data experimental untuk menyelesaikan permasalahan stabilitas kontrol AFR dalam spark engine. Adaptive

FeedForward Controller (AFFC) dan Adaptive Posicast Controller (APC) (Yildiz

Y. dkk, 2010) diperkenalkan menjadi sebuah kontrol AFR.Adaptive FeedForward

Controller (AFFC) digunakan mensimulasikan kemampuan tracking, sedangkan Adaptive Posicast Controller (APC) digunakan mengontrol permasalahan AFR.

Hasil experimen Adaptive Posicast Controller (APC) menunjukkan hasil baik dalam menangani control AFR dalam spark ignition engine.

Perkembangan AFR selanjutnya tentang penyelidikan keefektifan adaptive

diagonal recurrent neural network (Zhai Y.J. dkk, 2010). Penelitiannya ini

menunjukkan hasil akurasi tinggi dan kemampuan baik untuk mengendalikan dinamika AFR yang diperoleh dari model predictive control (MPC), dibandingkan dengan PI control. Perbandingan kompresi pada mesin berpengaruh terhadap daya mesin, jika perbandingan kompresi melebihi nilai tertentu output mesin meningkat, kemudian mulai menurun dengan meningkatnya rasio relatif AFR (Ebrahimi, 2012). Perkembangan kontrol AFR mengarah dengan aplikasi lebih baik yaitu dengan sistem training (Arsie I. dkk, 2006), dalam mensimulasikan dinamika AFR, digunakan recurrent neural network dengan deskripsi dua formasi proses pencampuran pada SI engine. Seorang peneliti melakukan pengujian bahan bakar pada AFR untuk mengetahui pengaruh emisi gas buang pada SI

engine (Zervas E. dkk, 2004). Hasil pengujian menunjukkan bahwa campuran AFR yang paling ideal ketika mencapai pembakaran optimal terdapat kandungan exhaust gasmethane 5%, ethylene 19%, acetylene 11.4 %, propylene 5.4 %, butadiene 1.6 % dan benzene 5.8%.

Metode kedua dengan pengontrolan Spark Advance– SA dengan Artificial

Neural Network - ANN (Togun N.K. dan Baysec S., 2010a). Peneliti ini

melakukan prediksi terhadap torsi mesin dan pengereman konsumsi bahan bakar bensin secara spesifik dengan pengajuan pengapian dengan ANN. Selanjutnya peningkatan efisiensi bahan bakar dengan pengontrolan SA dengan Algoritma

(25)

Genetik - GA (Togun N.K.& Baysec S., 2010 b). Penelitian ini mengembangkan

formulasi kuat dengan GA dalam meningkatkan efisiensi bahan bakar bensin dengan pengajuan pengapian.

Metode ketiga dengan pengembangan kontrol hybrid (Kheir N. dkk, 2004). Peneliti inimenerapkan Fuzzy Logic Controller - FLC untuk meminimalkan ekonomi bahan bakar dan mengurangi emisi gas buang pada kendaraan hybrid. Hasil aplikasi FLC dengan 44 rules mampu meningkatkan efisiensi bahan bakar dan menurunkan emisi NOX dengan penyetelan trade off hybrid.

Metode keempat melalui pemanfaatan resource lain, diantaranya mempelajari variasi beberapa siklus pembakaran HCCL engine pada suhu udara masuk terhadap AFR dengan penambahan bahan ethanol pada engine 2 silinder. Hasil evaluasi siklus pembakaran HCCL engine terhadap penambahan bahan

ethanol dengan perubahan suhu udara masuk dan AFR ternyata berpengaruh

signifikan terhadap siklus pembakaran (Maurya R.K. dan Agarwal A.K., 2011; Wu T.S. dkk, 2004). Penambahan fuel treatment berpengaruh terhadap fuel air

ratio dan emisi exhaust gas (Zervas E. dkk, 2001). Hasil penyelidikan

menunjukkan ketika fuel hydrotreatment dikurangi komposisinya memberi pengaruh terhadap pengurangan polusi exhaut gas yaitu berupa penambahan komposisi exhaut gas yaitu perubahan methane, benzene, formaldehyde,

acetaldehyde, acroleine dan propionic acid.

Rasio panas tergantung pada temperature, campuran udara dan bahan bakarantara campuran yang terbakar dan campuran tidak terbakar (Ceviz, 2005). Implementasi fungsi reduksi panas, terutama yang berasal dari temperatur udara masuk hanya tergantung dengan spesifikasi rasio panas dibawah operasi kurus kerja mesin. Seorang peneliti melakukan pengamatandengan mengadakan pendekatan pengendalian sistem kontrol pada gasoline direct injection (GDI). Hasil penelitian menunjukkan rancangan pengendalian sistem kontrol dapat bekerja dengan hasil sangat baik, diantaranya torsi yang dihasilkan sangat efektif, kerja sistem yang kokoh, meminimalkan konsumsi bahan bakar (Gäfvert M. dkk, 2004).

(26)

2.1. Engine

Engine berbahan bakar bensin merupakan bagian dari internal combustion engine. Internal combustion engine adalah suatu mekanisme yang merubah energi

panas menjadi energi gerak dengan pemanfaatan pembakaran di dalam engine.

Internal Combustion Engine terbagi menjadi beberapa tipe yaitu gasoline engine, diesel engine dan jet engine. Gasoline engine atau spark ignition engine dapat

juga dikenal dengan mesin bensin. Gasoline engine merupakan mesin pembakaran dalam yang bekerja dengan pemanfaatan tenaga dihasilkan oleh hasil pembakaran bensin dengan udara.

2.2 Air to Fuel Ratio (AFR)

AFR merupakan perbandingan antara udara dengan bahan bakar / bensin

dengan perbandingan tertentu. AFR secara ideal memiliki perbandingan 14,67 : 1 (Robert, 2002; Wang S.W. dkk,2006). Kondisi ini memiliki karakteristik yaitu pembakaran dalam engine yang paling optimal, performa engine baik, dan emisi

gas buang rendah (Heywood, 1988). Perbandingan 14,67 : 1 memiliki arti yaitu

perbandingan antara 14,67 satu satuan udara dan 1 satu satuan bahan bakar. AFR pada engine kendaraan dinyatakan dengan simbol lamda (λ). Lamda (λ) adalah jumlah udara / jumlah syarat udara menurut teori. Lamda (λ) =1 adalah jumlah udara masuk ke dalam silinder engine sama dengan jumlah syarat udara dalam teori. Lamda (λ)< I jumlah udara yang masuk lebih kecil dari jumlah syarat udara dalam teori, pada situasi ini engine kekurangan udara, campuran gemuk, dalam batas tertentu dapat meningkatkan daya engine. Lamda (λ)> 1 jumlah udara yang masuk lebih banyak dari syarat udara teoritis, saat ini engine kelebihan udara, campuran kurus dan daya kurang. Lamda (λ) > 1,2 dalam situasi seperti ini campuran bahan bakar dan udara sangat kurus sehingga pembakaran dimungkinkan tidak dapat terjadi pada tempat yang lebih luas. AFR campuran kurus yang aman pada mesin saat berputar pada putaran rendah secara umum yaitu tidak melebihi 21:1, namun batas maksimal campuran kurus yang diijinkan 22:1 (Aleiferis P.G. dkk, 2004).

(27)

2.3 Brake System

Sistem rem / brake system merupakan sistem yang penting dari suatu kendaraan. Sistem rem berfungsi sebagai alat pengaman pada kendaraan yang didesain untuk mengurangi kecepatan dan menghentikan kendaraan. Pada sistem rem, secara umum tenaga pengereman diperoleh dari gaya gesek brake shoes pada bidang gesek yang berputar bersama-sama dengan roda.

Prinsip kerja sistem rem yaitu merubah energi gerak menjadi energi panas. Gaya pengereman bekerja berdasarkan sistem gabungan penekanan melawan sistim gerak putar. Efek pengereman diperoleh dari adanya gesekan antara dua benda yang menimbulkan panas. Tipe-tipe rem berdasarkan penggunaanya yaitu rem kaki (foot brake). Tipe ini dioperasikan menggunakan kaki untuk mengontrol kecepatan dan menghentikan kendaraan. Rem parkir (Parking Brake) untuk menahan kendaraan supaya tidak mudah bergerak pada saat parkir. Rem tambahan

(auxiliary brake) untuk membantu rem kaki, umumnya digunakan pada kendaraan

besar dan berat .

Teknologi hybrid kendaraan menginjeksikan sistem rem untuk digunakan meningkatkan efisiensi bahan bakar melalui state of charging. Ketika kendaraan direm generator akan melakukan charge battery dalam jumlah besar, sehingga

battery cepat terisi. Dengan kondisi battery terisi maka motor listrik dapat

menggerakkan kendaraan dalam waktu lebih lama. Teknologi hybrid dalam proses pengontrolan performance engine dilakukan dengan tiga rule base pada Gambar 2.1. Rule braking mengkondisikan engine melakukan charge battery saat kendaraan dilakukan proses pengereman. Rule optimal fuel economy mengkondisikan motor listrik memutar engine pada kendaraan kecepatan rendah. Kinerja yang dihasilkan motor lisrik berpengaruh terhadap konsumsi bahan bahar.

Rule performance bekerja ketika engine membutuhkan tenaga besar, misalnya

saat kendaraan menanjak, akselerasi maupun membawa muatan banyak. Ketiga

rule base bekerja secara bergantian mengikuti alur kerja engine, baik ketika

(28)

Gambar 2.1 Rule Base splitbraking system dalam kendaraan hybrid (Kheir N. dkk, 2004).

2.4 Sistem kontrol

Sistem kontrol adalah suatu sistem yang digunakan untuk mengelola input sehingga mewujudkan suatu kerja /output. Sistem kontrol yang sering digunakan ada beberapa tipe yaitu sistem kontrol open loop dan sistem kontrol closed loop. Sistem kontrol closed loop sangat sesuai untuk menangani permasalahan sistem

nonlinear tinggi dan sistem time delay yang terjadi pada engine pembakaran

dalam.

Sistem kontrol closed loop dalam kontrol engine merupakan sistem yang memberikan umpan balik dari output yang diolah menjadi refensi input. Sistem kontrol open loop maupun closed loop berkontribusi untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan emisi gas buang. Demikian juga dalam mengontrol sistem

engine untuk mengendalikan torsi menggunakan torque feedback.

a. Sistem nonlinear

Sebuah sistem dapat dikendalikan jika sistem yang terjadi berupa sistem linear. Fenomena engine pembakaran dalam yang terjadi berupa sistem nonlinear. Pendekatan yang perlu dilakukan dalam permasalahan ini yaitu dengan permodelan nonlinear (Togun N.K. dkk, 2012).

2.4.2 Fuzzy logic

Fuzzy Logic diperkenalkan oleh Prof.Lotfi Zadeh dari Universitas California

di Berkeley pada tahun 1965 dan dipresentasikan bukan sebagai suatu metode sistem kontrol. Logika fuzzy adalah cara yang tepat / mudah untuk memetakan

input-output didasari oleh konsep himpunan fuzzy, diantara input dan output

(29)

Gambar2.2 Struktur umum fuzzy logic(JangR.S.J. dkk, 1997).

Sistem blackbox terdapat proses yang tidak diketahui, cara ini dapat didekati dengan pendekatan sistem logika fuzzy. Hampir setiap kasus, cara fuzzy lebih cepat dan lebih mudah. Struktur umum fuzzy logic terlihat dalam Gambar 2.2. Sistem fuzzy logic dapat menyelesaikan permasalahan komplek, digunakan untuk meningkatkan stabilitas output yang terjadi pada sistem nonlinear (Guerra T.M. dkk, 2006). Logika fuzzy merupakan sebuah aplikasi sistem persamaan matematika yang diterapkan pada sistem untuk menyelesaikan permasalahan dengan metode himpunan. Bentuk persamaan umum penyajian logika fuzzy, sebagai berikut:

Perkembangan saat ini fuzzy logic controller sudah mengarah ke metode

Multi Input Multi Output (MIMO). Hal ini memungkinkan fuzzy logic control

dapat bekerja dengan berbagai kondisi.

2.5 Programmable Logic Controller

Programmable Logic Controller (PLC) adalah sistem kontrol elektronik

yang didesain untuk pemakaian di lingkungan industri dan beroperasi secara digital. PLC dapat juga berfungsi sebagai komputer elektronik yang mudah digunakan, memiliki fungsi sebagai sistem kendali untuk berbagai tipe dan tingkat kesulitan beragam. Sistem ini menggunakan memori yang dapat diprogram untuk penyimpanan secara internal, sedangkan fungsi lainya sebagai penyimpan instruksi yang mengimplementasikan fungsi-fungsi spesifik logika, sequencing,

timing, menghitung dan aritmatika untuk mengendalikan mesin (Bolton, 2006) } | )) ( , {(x x x X A _A 

(30)

dan operasi aritmatik untuk mengontrol engine atau proses melalui modul-modul

I/O digital maupun analog. PLC selain dapat digunakan untuk pengendalian

sistem otomasi industri, dapat juga dimanfaatkan untuk mengendalikan engine

diesel satu silinder (Ergenç A.T. dan Koca D.O., 2014).

2.6 Sensor

Sensor merupakan elemen yang menghasilkan sinyal berhubungan dengan

kuantitas diamati atau diukur. Sensor dapat dikatakan sebagai alat untuk memberikan tanggapan terhadap besaran fisik yang akan diukur dengan menghasilkan output suatusinyal. Alat ini berupa seperangkat perlengkapan elektronik yang berfungsi untuk mengetahui besaran fisik yang diubah menjadi besaran listrik.

2.6.1 Manifold Absolute Pressure Sensor (MAP)

MAP merupakan sensor digunakan untuk mengukur kevakuman di dalam intake manifold. Sensor ini bekerja dengan mendeteksi perubahan tekanan vakum

di dalam intake manifold. Perubahan tekanan dalam intake manifold yang terjadi diubah menjadi sinyal listrik yang akan diterima oleh Electronic Control Unit

(ECU). Informasi yang diterima ECU kemudian digunakan menghitung jumlah

aliran udara intake manifold. Perkembangan selanjutnya dari sensor MAP berubah menjadi sensor MAF (Mass Air Flow Sensor). Model – model MAF memiliki beberapa macam diantaranya model air flow meter dalam Gambar 2.3.

(31)

2.6.2 Cam Shaft Position sensor (CMP)

CMP adalah sensor engine yang digunakan untuk mendeteksi putarankerja engine. Sensor ini terpasang pada distributor dalam sistem ignition pada gasoline engine, dengan adanya sensor CMP, ECU akan mengirimkan jumlah bahan bakar

yang diinjeksikan sesuai dengan putaran engine.

2.6.3 Throtle Position Sensor (TPS)

TPS merupakan sensor untuk mengetahui posisi pembukaan throttle valvep

ada kendaraan kendaraan. Sensor ini menjadi salah satu input utama dalam ECU.

TPS pada mesin sesungguhnya dipasangkan pada throttle valve. Prinsip kerja sensor ini seperti tahanan geser atau variable resistor yang digunakan untuk

mengendalikan signal tegangan.

2.6.4 Transmission position sensor

Transmission position sensor berfungsi untuk mengetahui posisi transmisi

kendaraan. Sensor ini memberikan switching terhadap kerja pengontrolan ECU.

2.7 Fuel injection

Fuel injection merupakan suatu metode pencampuran udara dan bahan

bakar. Bahan bakar disemprotkan dalam engine melalui intake manifold berdasarkan kondisi engine. Fuel injection merupakan sistem memiliki beberapa komponen diantaranya injector. Komponen ini seperangkat peralatan elektronik yang menyemprotkan bahan bakar ke engine. Model – model fuel injection berdasarkan jumlah injector.

2.6.1 Single Point Injection System

Single point injection system disebut juga Throttle Body Injection (TBI).

Sebuah injector terletak di throttle body pada intake manifold, bensin disemprotkan ditengah - tengah intake manifold untuk menyuplai kebutuhan

(32)

2.6.2 Multi Point Injection

Multi Point Injection System mempunyai injector pada setiap saluran untuk

menyuplai bensin pada masing silinder. Bensin disemprotkan ke masing-masing saluran pada intake valve sesuai dengan kebutuhan air fuel ratio yang direkomendasikan. Model - model fuel injection berdasarkan penempatan

injectornya.

a. Indirect injection system

Sistem menyemprotkan bahan bakar ke intake manifold seperti yang digunakan pada sistem penginjeksian gasoline engine, bensin disemprotkan tidak langsung ke dalam ruang bakar.

b. Direct Injection system

Model direct injection system, bahan bakar disemprotkan langsung ke dalam ruang bakar. Sistem penginjeksian langsung ini sebagaian besar digunakan pada sistem injeksi engine diesel.

2.6.3 Injection engine

Injection engine atau dikenal istilah mesin injeksi merupakan salah satu

bagian dari kendaraan yang berfungsi sebagai penggerak. Injection engine memiliki sistem bahan bakar yang diinjeksikan langsung ke engine. Proses pencampuran bahan bakar dengan udara pada injection engine sebagian besar terjadi di intake manifold, namun pada tipe tertentu proses pencampurannya langsung terjadi di ruang bakar. Sebagian besar mesin kendaraan menggunakan mesin tipe jenis ini. Kelebihan mesin ini memiliki efisiensi tinggi, performance optimal dan emisi exhaust gas rendah. Kerja sistem injection engine mengacu pada kondisi AFR stoichiometry, adapun nilai AFR yang menjadi acuan injection

engine berkisar 14,7. Kondisi AFR stoichiometry injection engine bekerja pada

kondisi paling optimal. Mesin menggunakan sensor - sensor untuk mendeteksi dinamika bagian-bagian engine. Sensor bekerja untuk membangkitkan sinyal yang digunakan sebagai input ECU. ECU berfungsi untuk mengontrol proses operasi bahan bakar terhadap dinamika yang terjadi pada sistem engine, selanjutnya ECU memerintahkan actuator bekerja sesuai dengan beban yang terjadi pada engine.

(33)

Bab 3

Metodologi Penelitian dan Perancangan

3.1 Analisa Permasalahan Efisiensi Bahan Bakar

Analisapermasalahan efisiensi bahan bakarsecara terperinci dapat terlihat pada diagram fishbone Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram fishbone untuk menganalisa akar permasalahan efisiensi bahan bakar.

Efisiensi bahan bakar pada kendaraan memiliki banyak faktor yang mempengaruhinya, diantaranya pertama faktor lingkungan. Lingkungan sangat berpengaruh terhadap efisiensi bahan bakar. Kondisi jalan menanjak, iklim dingin, suhu dingin dan tekanan udara tinggi menyebabkan konsumsi bahan bakar naik.

Efisiensi Bahan Bakar Rendah Lingkungan Metode Mesin/alat Material Manusia Cara mengendarai Selalu menggunakan putaran tinggi Penghentakkan pedal gas Massa kendaraan berat Berat jenis komponen mesin tinggi Oktan bahan bakar rendah Jalan menanjak Suhu dingin Tekanan udara Pembakaran kurang baik AFR belum ideal Kerusakan sistem bahan bakar Piston aus Iklim dingin Katup bocor Ring bocor Suhu mesin terlalu rendah Beban Beban mesin besar Belum ada economiser Pemakaian AC Pemakaian hidroulic pwr strg 17

(34)

Ketika kendaraan melewati jalan menanjak engine bekerja dengan kondisi membutuhkan tenaga besar, sehingga suplai bahan bakar diperbanyak. Kondisi iklim / suhu dingin sebagian besar bahan bakar akan menempel pada dinding

intake manifold. Proses pencampuran bahan bakar secara homogen sulit tercapai.

Bahan bakar akan mengalami keterlambatan masuk ke engine, sehingga mesin ketika pertama kali dihidupkan dan mesin beroperasi akan mengalami gangguan. Hal ini dapat diatasi dengan penambahan bahan bakar. Tekanan udara tinggi mendorong udara yang masuk ke engine mengalami peningkatan, sehingga engine beroperasi pada campuran kurus. Kondisi ini engine beroperasi pada suhu yang tinggi, tenaga kurang dan kerusakan komponen – komponen lebih cepat terjadi. Penyelesaian kondisi ini engine akan memberikan suplai tambahan ke ruang bakar.

Faktor kedua yang mempengaruhi efisiensi bahan bakar yaitu faktor beban

engine. Kenyamanan berkendaraan saat ini menjadi prioritas utama. Peningkatan

fasilitas asesories kendaraan dikembangkan, diantaranya pemanfaatan sistem air

conditioner. Sistem air conditioner akan mengontrol temperatur dan kelembaban

udara ruangan kendaraan pada kondisi ideal. Power steering akan memberikan tenaga tambahan pada sistem kemudi saat kendaraan berjalan. Pada model power

steering tipe hidrolik, mesin berputar akan menggerakkan pompa hidrolik untuk

mensirkulasikan oli ke masing – masing tie road pada sistem kemudi melalui

chamber. Tenaga yang dibangkitkan ini akan membantu saat pengemudi memutar steering wheel, sehingga saat mengemudi terasa lebih ringan. Konsekuensinya

beban engine meningkat, bahan bakar yang disuplai bertambah.

Faktor ketiga yang mempengaruhi efisiensi bahan bakar yaitu faktor manusia. Ketika mengendarai kendaraan ada sebagian pengemudi memiliki kecenderungan untuk menjalankan engine pada putaran tinggi, menghentakkan pedal gas secara berterusan. Cara seperti ini akan diproses oleh ECU sebagai kondisi beban besar, sehingga ECU akan meningkatkan suplai bahan bakar ke

intake manifold.

Faktor keempat yang mempengaruhi efisiensi bahan bakar yaitu faktor material. Kendaraan yang memiliki bodi besar akan membutuhkan tenaga besar saat pengemudi melakukan proses akselerasi. Oktan bakar rendah menyebabkan

(35)

proses flash point pada ruang bakar rendah, proses penyalaan membutuhkan waktu cukup lama, respon terhadap siklus engine lambat sehingga menimbulkan tenaga yang dibangkitkan oleh piston berkurang. Proses ini ditangkap oleh ECU sehingga ECU akan memberikan tambahan bakar ke engine.

Faktor kelima yang mempengaruhi efisiensi bahan bakar yaitu faktor mesin atau alat. Engine memiliki life time ketika beroperasi atau engine memiliki umur ekonomi. Standarisasi industri pembuat kendaraan, ketika kendaraan berioperasi secara continue memiliki umur ekonomi berkisar 5 tahun. Ketika seseorang menggunakan kendaraan kurang dari 5 tahun, kendaraan akan pada kondisi prima, namun setelah lebih dari usia 5 tahun kendaraan akan mengalami proses penurunan. Saat kendaraan beroperasi, komponen – komponen utama engine mengalami gesekan secara berterusan, sehingga komponen – komponen engine akan mengalami keausan. Piston menjadi semakin mengecil, katub intake dan

exhaust mengalami kebocoran, ring kompresi semakin mengecil, post injector

semakin membesar. Kondisi ini menyebabkan kompresi dalam ruang bakar menurun, tenaga yang dihasilkan berkurang sehingga saat engine beroperasi membutuhkan jumlah bahan bakar relatif tinggi.

Faktor keenam yang mempengaruhi efisiensi bahan bakar yaitu faktor metode. Engine yang memiliki pembakaran kurang baik, misalnya sistem pengapian tidak tepat, kualitas nyala api dalam spark plug jelek, ruang bakar kotor sangat berpengaruh terhadap performance kendaraan. Demikian juga dengan sistem bahan bakar yang tidak mengacu pada AFR stoichiometry akan meningkatkan konsumsi bahan bakar. Engine yang beroperasi pada campuran gemuk akan menghasilkan emisi exhaust gas yang tinggi. Kondisi ini engine akan mengeluarkan gas beracun yang akan dilepas ke udara bebas, sehingga dapat merusak lapisan ozon pada atmosfer. Engine yang tidak memiliki sistem

economizer akan menyebabkan suplai bahan bakar tidak efektif, sehingga bahan

bakar disuplaikan ke ruang bakar banyak yang terbuang.

Penelitian ini untuk menyelesaikan permasalahan efisiensi bahan bakar menggunakan pendekatan faktor metode dengan menambahkan sistem

(36)

3.2 Diagram Alir Penelitian

Adapun diagram alir utamadalam menyelesaikan permasalahan penelitian dari diagram fishbone yang sudah dipecah secara parsial terlihat pada Gambar 3.2, sampai Gambar 3.6.

Gambar 3.2 Main Flow Chart. Mulai

Preliminary Research

Data & Data

Acquisition Desain Controller

Implementasi Hardware Apakah dapat meningkatkan efisiensi bahan bakar ? Analisis dan intepretasi Selesai Ya Tidak

(37)

Gambar 3.3 Preliminary Flow Chart.

Gambar 3.4Data Acquisition flow chart. Mulai Studi Pustaka Studi Pendahuluan Studi Lapangan Perumusan Masalah Tujuan Penelitian Selesai Mulai ~ CMP sensor. ~ MAP sensor.

Data & Data

Acquisition

Desain kontroller

(38)

Gambar 3.5 Desain ControllerFlow Chart. Mulai

Desain

Fuzzy Logic Controller

Desain

Programmable Logic Controller

Simulasi hasil controller Simulasi controller Setting timer dan counter

Pada saat dilakukan pengereman terjadi kenaikan AFR melebihi stoichiometry ?

Desain