LAPORAN AKHIR

INSENTIF SISTEM INOVASI NASIONAL (SINAS) TAHUN 2015

IDENTITAS :

RT-2015-0328

Judul Topik Penelitian

Pengembangan Sistem Kontrol Pengapian Dan Sistem Deceleration Fuel Cut Off Pada Kendaraan Bi-Fuel

Untuk Mendukung Program Konversi Bahan Bakar Gas

Bidang Prioritas Iptek :

TEKNOLOGI TRANSPORTASI

Jenis Insentif Riset :

RISET TERAPAN (RT)

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAGELANG

Kampus I : Jalan Tidar No. 21 Magelang 56126 Telpon (0293) 362082 Fax. (0293) 361004 Kampus 2 : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5 Mertoyudan Magelang 56172 Telp. (0293) 326945

2015

ii

LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN

1. Judul topik penelitian : Pengembangan Sistem Kontrol Pengapian Dan Sistem Deceleration Fuel Cut Off Pada Kendaraan Bi-Fuel Untuk Mendukung Program Konversi Bahan Bakar Gas

2. Bidang Prioritas Iptek : Teknologi Transportasi

3. Jenis Insentif Riset : Riset Terapan (RT)

4. Lokasi penelitian : Laboratorium Mesin Otomotif

Universitas Muhammadiyah Magelang.

5. Nama Peneliti Utama : Muji Setiyo,ST, MT

6. Nama Lembaga/ Institusi

: Lembaga Penelitian Pengembangan dan Pengabdian Masyarakat (LP3M)

Universitas Muhammadiyah Magelang

7. Unit Organisasi : Divisi Penelitian dan Pengembangan Pendidikan

Universitas Muhammadiyah Magelang

8. Alamat : Jalan Mayjend Bambang Soegeng Km. 5 Mertoyudan Magelang 56172 Telp. (0293) 326945 Fax. Pesawat 111

9. Telepon/HP/Fax/e-mail : 081328648046 // e-mail : setiyo.muji@gmail.com

Magelang, 28 November 2015 Kepala Divisi Penelitian dan Pengembangan

Pendidikan

Universitas Muhammadiyah Magelang

Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd

NIDN. 0626046902

Ketua Peneliti,

Muji Setiyo, ST, MT

NIDN. 0627038302

iii

RINGKASAN

Kegiatan penelitian meliputi proses pembuatan prototipe modul kontrol waktu

pengapian (ignition timing) un tuk kendaraan bi-fuel LPG/bensin dan sirkuit

pemutus aliran LPG saat deselerasi (deceleration fuel cut off). Kedua modul

ini telah berhasil diintegrasikan dalam satu rangkaian terpadu. Serangkaian

hasil pengujian pada chassis dynamometer menunjukkan bahwa kontrol

tegangan MAP sensor (yang berarti mengubah waktu pengapian) memiliki

pengaruh besar pada torsi dan tenaga mesin. Dalam mode operasi LPG dan

tanpa kontrol dari MAPS Feedback, output mesin sangat rendah. Hal ini jelas

terlihat bahwa daya maksimum yang dihasilkan hanya 61,5 hp @ 5045 rpm,

sementara mode bensin mampu menghasilkan 75,4 hp @ 5.049 rpm. Ada

penurunan dari 14,5%. Selain itu, dalam kecepatan mesin di bawah 2000

rpm, ada penurunan daya yang signifikan. Jika umpan balik MAPS

diturunkan menjadi 1,2 volt, tenaga mesin maksimum meningkat menjadi

68,6 hp @ 5.414 rpm. Hasil yang baik diperoleh pada umpan balik MAPS V:

1,0 dan V: 0,8 dengan perolehan daya yang hampir berhimpit, tapi V: 0,80

lebih baik dari V: 1,0 (selisih 4 % dari daya mode operasi bensin).

iv

KATA PENGANTAR

Puji syukur dipanjatkan ke hadirat Allah SWT, karena atas nikmat dan

karunia-Nya kegiatan Riset Sinas yang berjudul “Pengembangan Sistem

Kontrol Pengapian Dan Sistem Deceleration Fuel Cut Off Pada Kendaraan

Bi-Fuel Untuk Mendukung Program Konversi Bahan Bakar Gas” ini dapat

diselesaikan dengan baik.

Kegiatan penelitian ini telah menghasilkan propotipe yang telah

didaftarkan paten dengan nomor S00201507905 dan satu publikasi

internasional yang masih dalam proses revisi.

Pelaksanaan penelitian ini dibantu dan didukung oleh sejumlah pihak.

Oleh karena itu diucapkan terimakasih kepada :

1. Dra. Kanthi Pamungkas Sari, M.Pd. selaku Kepala Divisi Penelitian

Dan Pengembangan Pendidikan Universitas Muhammadiyah

Magelang , yang telah memberikan pengarahan selama pelaksanaan

kegiatan penelitian.

2. Oesman Raliby, ST, M.Eng dan Saifudin, ST, M.Eng yang telah

membantu tim peneliti selama proses monitoring dan evaluasi internal.

Akhir kata semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat bagi pihak-

pihak terkait, dan koreksi maupun saran sangat diharapkan untuk

penyempurnaannya.

Magelang, November 2015

Muji Setiyo, ST, MT NIDN. 0627038302

v

DAFTAR ISI

LEMBAR IDENTITAS DAN PENGESAHAN .................................................................... ii

RINGKASAN .................................................................................................................................. iii

KATA PENGANTAR ................................................................................................................... iv

DAFTAR ISI ...................................................................................................................................... v

DAFTAR TABEL .......................................................................................................................... vii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................... viii

BAB 1 PENDAHULUAN ..................................................................................................... 1

1.1. Latar Belakang .............................................................................................................. 1

1.2. Tujuan ............................................................................................................................... 3

1.3. Sasaran ............................................................................................................................ 3

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................................... 4

2.1. Tinjauan Pustaka ......................................................................................................... 4

2.1.1. Karakteristik LPG sebagai bahan bakar kendaraan .......................... 4

2.1.2. Masalah perbedaan kecepatan pembakaran ........................................ 5

2.1.3. Masalah emisi dan efisiensi bahan bakar ............................................... 8

2.2. Kerangka Konsep Penelitian .................................................................................. 9

BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT ................................................................................. 10

2.1. Tujuan ............................................................................................................................. 10

2.2. Daya ungkit................................................................................................................... 10

2.3. Keunggulan dan manfaat kegiatan riset ......................................................... 10

BAB 4 METODE ................................................................................................................... 11

4.1. Pendekatan masalah dan metode penyelesaian ....................................... 11

4.2. Road map penelitian ................................................................................................ 12

4.3. Peralatan penelitian .................................................................................................. 13

vi

BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................................ 14

5.1. Hasil Penelitian dan Pembahasan .................................................................... 14

5.1.1. Sirkuit Pengubah Saat Pengapian ........................................................... 14

5.1.2. Sirkuit Deceleration Fuel Cut Off ............................................................... 15

5.1.3. Rangkaian Terintegrasi .................................................................................. 16

5.2. Prototipe ......................................................................................................................... 17

5.3. Pengujian Prototipe .................................................................................................. 17

5.4. Hasil pengujian ........................................................................................................... 19

BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN............................................................................ 22

6.1. Kesimpulan ................................................................................................................... 22

6.2. Saran ............................................................................................................................... 22

DAFTAR PUSTAKA................................................................................................................... 23

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Perbandingan Properti Fisik LPG, CNG, dan Bensin ..................... 4

Tabel 5.1 Spesifikasi mesin ......................................................................... 18

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Grafik penyesuaian pengapian pada mesin LPG ...................... 5

Gambar 2.2 Timing Advance Proccesor ....................................................... 7

Gambar 2.3 Electronic Spark Advance Variators .......................................... 7

Gambar 2.4 Konstruksi diafragma dan lever vaporizer ................................. 8

Gambar 2.3 Kerangka Konseptual Penelitian (Outline Riset) ....................... 9

Gambar 4.1 Diagram blok sistem kontrol yang direncanakan ..................... 11

Gambar 4.2 Road map Penelitian .............................................................. 12

Gambar 5.1 Sirkuit pengubah saat pengapian ........................................... 14

Gambar 5.2 Sirkuit deceleration fuel cut off ............................................... 15

Gambar 5.3 Sirkuit terintegrasi ................................................................... 16

Gambar 5.4 Sirkuit terintegrasi ................................................................... 17

Gambar 5.5 Proses Intergrasi ke ECU ....................................................... 17

Gambar 5.6 Converter Stefanelli 150 HP ................................................... 18

Gambar 5.7 Set Up Pengujian ................................................................... 19

Gambar 5.8 Hasil uji keseluruhan .............................................................. 20

Gambar 5.9 Hasil uji pengaruh penggunaan sirkuit yang dikembangkan .. 21

1

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Liquefied Petroleum Gas (LPG) merupakan bahan bakar yang memiliki nilai

oktan tinggi (108-112) dan memiliki sifat kunci yang diperlukan untuk jenis

Spark-Ignition (SI) Engine (Werpy, 2010). LPG menghasilkan menghasilkan

emisi yang lebih rendah daripada bensin (Mockus, 2006), (Mandloi, 2010),

dan (Shankar, 2011). Kandungan toxin (racun) dari LPG termasuk yang

paling rendah dari semua bahan bakar otomotif tersedia secara komersial

saat ini. Selain itu, efek gas rumah kaca dari LPG umumnya lebih rendah

dibandingkan dari bensin, diesel dan beberapa bahan bakar alternative

(World LP Gas Association, 2012).

Pemanfaatan LPG sebagai bahan bakar kendaraan sudah menjadi kebijakan

energi dibeberapa Negara seperi Turki, Polandia, Jepang, dan Korea

Selatan. Saat ini, ada lebih dari 25 juta kendaraan LPG digunakan sebagai

kendaraan yang lebih ramah lingkungan dengan lebih dari 70.000 stasiun

pengisian bahan bakar (WLPGA, 2014).

Namun demikian, program konversi Bahan Bakar Minyak (BBM) ke Bahan

Bakar Gas (BBG) baik LPG maupun CNG masih belum menggeliat. Salah

satu kendala dalam pengembangan angkutan umum barbahan bakar gas di

Indonesia adalah infrastruktur berupa stasiun pengisian dan peralatan

konversi (converter kits) yang belum optimal. Model converter kits yang

sesuai dengan kondisi angkutan umum di Indonesia adalah model vaporizer

dengan alasan jangkauan yang lebih luas untuk setiap jenis mobil dan lebih

sederhana (Werpy, 2010). Aliran gas pada model vaporizer dikendalikan oleh

tingkat kevakuman mesin, belum dikendalikan elektronik seperti pada model

sequential.

2

Permasalahan teknis muncul dilapangan saat angkutan umum beroperasi

dengan sistem bifuel LPG-bensin, yaitu bahwa properti keduanya berbeda.

LPG memiliki kecepatan pembakaran yang lebih rendah dari bensin, yaitu

sebesar 0,82 m/s, sedangkan bensin 20 - 40 m/s (Propane Education &

Research Council,2012). Permasalahan lain terjadi pada saat deselerasi,

kevakuman yang tinggi menambah aliran gas dari vaporizer sehingga

emisinya tinggi dan pemborosan gas sementara pada saat deselerasi tidak

membutuhkan aliran gas. Converter kits model vaporizer belum dilengkapi

dengan Gas Control Unit (GCU) seperti pada model sequential injection.

Akibat dari hal ini adalah penurunan performa mesin dan efisiensinya

rendah, Kerugian daya yang terjadi hingga mencapai 20 % (Osch, 2013). Hal

ini menjadi salah satu alasan ketidaksuksesan program konversi.

Melihat fenomena diatas, salah satu upaya untuk menaikkan performa mesin

pada saat mode operasi bensin adalah memajukan saat pengapian (ignition

timing) hingga 150 c.a dari kondisi standar (Bosch, 2010) dan (Setiyo, 2012).

Namun, jika ignition timing ditentukan fixed pada mode operasi LPG, akan

menimbulkan knocking saat beroperasi dengan mode bensin. Kondisi lain

juga menuntut adanya pemutusan aliran gas saat deselerasi untuk alasan

efisiensi.

Konsep yang diusulkan dalam rancangan penelitian ini adalah

mengembangkan sirkuit sistem kontrol yang bekerja secara otomatis

mengubah ignition timing saat mode operasi bahan bakar berubah agar

performa mesin saat beroperasi dengan bensin ataupun LPG tetap tinggi

yang diintegrasikan dengan sistem kontrol untuk memutus aliran LPG saat

deselesari untuk menghemat bahan bakar dan menurunkan emisi gas

buang. Dengan demikian, luaran penelitian ini akan mendukung program

konversi BBM ke BBG terutama untuk angkutan umum sehingga dapat

mendukung sistem inovasi nasional dalam upaya mewujudkan sistem

transportasi yang murah.

3

1.2. Tujuan

Tujuan dari penelitian ini untuk mengembangkan sistem kontrol yang bekerja

secara otomatis untuk mengatur saat pengapian pada mobil Bi-fuel (saat

mobil berpindah mode operasi bahan bakar) dan memutus aliran LPG (saat

deselerasi) secara terintegrasi untuk meningkatkan performa dan efisiensi

mobil Bifuel LPG/Bensin.

1.3. Sasaran

Sasaran dari penelitian ini memberikan kontribusi komponen kontrol pada

unit converter kits dalam rangka mempercepat program konversi BBM ke

LPG khususnya mobil penumpang dan angkutan umum, sehingga dapat

mendukung sistem inovasi nasional dalam upaya mewujudkan sistem

transportasi yang murah.

4

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Tinjauan Pustaka

LPG telah menjadi salah satu bahan bakar alternatif pengganti bahan bakar

minyak yang paling penting di sektor otomotif dunia. Di Eropa dan beberapa

Negara, LPG yang secara khusus digunakan untuk bahan bakar kendaraan

disebut dengan Autogas. Sementara, di beberapa Negara lain dikenal

dengan LP Gas dan GPL. Di Indonesia, LPG untuk sektor transportasi

dikenal dengan Liquified Gas Vehicle (LGV) atau vi-gas.

2.1.1. Karakteristik LPG sebagai bahan bakar kendaraan

LPG diperoleh dari hidrokarbon yang dihasilkan selama penyulingan minyak

mentah dan dari komponen gas alam. Komponen LPG didominasi propana

(C3H8) dan butana (C4H10). LPG juga mengandung hidrokarbon ringan lain

dalam jumlah kecil, misalnya etana (C2H6) dan pentana (C5H12) (Brevitt,

2002). Kandungan energi LPG sebesar 46.23 MJ/kg dan 26 MJ/l ,

sedangkan kandungan energi bensin sebesar 44.4 MJ/kg dan 34,8 MJ/l.

Dibandingkan dengan bensin, LPG memiliki kandungan energi per satuan

massa relatif tinggi, tetapi kandungan energi per satuan volumenya rendah

(IEA ETSAP, 2010).

Tabel 2.1 Perbandingan Properti Fisik LPG, CNG, dan Bensin

LPG memiliki nilai oktan 112 yang memungkinkan untuk diterapkan pada

mesin dengan perbandingan kompresi yang lebih tinggi sehingga

memberikan efisiensi thermal yang lebih tinggi pula. Dengan harga LPG per

satuan volume yang lebih rendah dari harga bensin (non-subsidi), biaya

operasional mesin LPG lebih rendah dan memiliki karakteristik ramah

lingkungan.

5

LPG memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan bensin. Konsumsi

bahan bakar LPG per satuan volume lebih rendah daripada bensin. Distribusi

gas pada tiap-tiap silinder lebih merata sehingga percepatan mesin lebih baik

dan putaran stasioner lebih halus. Ruang bakar lebih bersih sehingga umur

mesin meningkat. Kandungan karbon LPG lebih rendah daripada bensin atau

diesel sehingga menghasilkan CO2 yang lebih rendah (R.R. Saraf, 2009).

Dari beberapa keunggulan di atas, aplikasi LPG sebagai bahan bakar

kendaraan memiliki beberapa kelemahan diantaranya bahwa mesin

berbahan bakar LPG umumnya menghasilkan daya yang lebih rendah

daripada mesin bensin, penurunan daya yang terjadi sekitar 5% -10% (Ceviz

& Yuksel, 2005). Mesin LPG juga memerlukan penyesuaian saat pengapian,

komponen sistem pengapian dan kualitas sistem pengapian (Bosch, 2010).

2.1.2. Masalah perbedaan kecepatan pembakaran

Kecepatan pembakaran LPG sebesar 0,82 m/s, sedangkan bensin 20 - 40

m/s. Untuk menghasilkan pembakaran explosive yang sama, saat penyalaan

(ignition timing) saat beroperasi dengan LPG harus dimajukan sekitar 15

derajat. Robert Bosch (2008), memberikan rekomendasi terkait dengan

penyesuaian pengapian pada mesin bifuel LPG – bensin dengan

memberikan ilustrasi pada gambar 2.1 berikut.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

10 20 30 40 50 60

Ignition voltage/ kV

Ignition timing/ 0BTDC

Ignition voltage requirement approx 14 kVElectrode gap 1.0 mm

+ 15

LPGPETROL

Gambar 2.1 Grafik penyesuaian pengapian pada mesin LPG

6

Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa terjadi perbedaan saat penyalaan

sebesar 15 derajat antara LPG dengan bensin. Perbedaan kebutuhan

pengapian inilah yang menjadi salah satu isu strategis yang akan

diselesaikan dalam penelitian ini agar kendaraan dapat beroperasi dengan

sama baik saat beroperasi dengan bensin atau LPG.

Studi yang terkait dengan pengajuan waktu pengapian untuk kendaraan

berbahan bakar LPG diantaranya dilaporkan oleh Southwest Research

Institute (2014). Pengujian dilakukan dengan propana cair HD-5 pada mesin

Stock Ford Taurus 3.5 L V6 EcoBoost. Penelitian ini melaporkan bahwa

waktu pengapian bisa maju sampai 20 derajat pada beban penuh dan tidak

dijumpai gejala detonasi disepanjang pengujian. Efisiensi termal yang lebih

baik ditunjukkan dengan waktu pengapian optimal. Sebelumnya, Lawankar

(2012) juga telah mengidentifikasi secara rinci tentang kinerja mesin

berbahan bakar LPG pada rasio kompresi yang berbeda dan waktu

pengapian yang berbeda pula. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa waktu

pengapian memiliki pengaruh pada efisiensi termal. Efisiensi terbaik

ditemukan pada 20 oBTDC untuk bensin dan pada 30 oBTDC untuk LPG

pada semua rasio kompresi yang diteliti.

Mengacu pada penelitian sebelumnya, informasi penting diperoleh bahwa

mesin bi-fuel memerlukan dua kurva pengapian. Jika hanya tersedia satu

kurva pengapian untuk mode bensin akan menyebabkan penurunan daya

yang signifikan ketika dioperasikan dalam mode LPG. Sebaliknya, jika kurva

pengapian mengacu pada mode LPG, akan terjadi knocking bila

menggunakan bensin. Untuk mencapai hasil yang maksimal dalam kedua

mode bahan bakar, kurva pengapian harus diubah mengikuti operasi bahan

bakar. Kurva pengapian harus mampu bergeser maju atau mundur secara

otomatis ketika operasi bahan bakar berubah, terutama ketika mesin

melakukan akselerasi.

Cara terbaik untuk memastikan saat pengapian optimal untuk kedua bahan

bakar adalah dengan membuat sistem pengapian dengan kurva ganda. Saat

pengapian akan beralih secara otomatis ke pengaturan LPG atau bensin

ketika saklar bahan bakar diaktifkan (Dimovski).

7

Upaya untuk menyesuaikan kurva pengapian di LPG/CNG dan bensin telah

dilakukan oleh Tomov (2012). Sebuah Timing Advance Processor (TAP)

diaplikasikan untuk memanipulasi sinyal dari koil pengapian (Gambar 2.2).

Sinyal diproses lebih lanjut melalui perangkat ini sebelum diumpankan

kembali ke ECU. Spark Advance Proccesor juga diselidiki oleh Edsan (2006),

diuji pada mesin berbahan bakar CNG. Perangkat lain untuk mengendalikan

kurva pengapian disebut Electronic Spark Advance Variators (ESAV) (AEB).

Baik TAP dan ESAV bekerja berdasarkan sinyal dari koil pengapian.

Kelemahannya, saat akselerasi dan berat beban, belum sepenuhnya

diakomodasi.

Gambar 2.2 Timing Advance Proccesor

Gambar 2.3 Electronic Spark Advance Variators

8

Berbeda dari TAP dan ESAV, penelitian ini menyajikan sebuah metode untuk

mengubah kurva pengapian berdasarkan informasi dari Manifold Absolute

Pressure Sensor (MAPS) untuk diterapkan dalam mesin bi-fuel yang masih

menggunakan model converter dan mixer. Perangkat ini disebut Simple

Electronic Spark Advance Module (SESAM). MAPS mengirimkan umpan

balik bervariasi dari 4,5 volt pada 101 kPa (kontak "ON", mesin tidak

berjalan, dan di permukaan laut) dan 0,5 volt pada 20,1 kPa. Pada

kecepatan idling, tegangan output berkisar 1,4-1,5 volt. Tegangan output dari

MAPS ini linear dengan tekanan manifold. Namun, tekanan manifold tidak

linear dengan putaran mesin. Studi Massi (2012) menunjukkan bahwa

tekanan manifold cenderung membentuk kurva parabola. Ini berarti bahwa

kurva pengapian yang terjadi tidak akan membentuk garis lurus.

2.1.3. Masalah emisi dan efisiensi bahan bakar

Saat deselerasi, kevakuman mesin meningkat,sehingga aliran LPG ke mesin

menjadi besar. Sementara itu, pada kondisi ini mesin tidak membutuhkan

bahan bakar. Akibatnya terjadi pemborosan LPG. Melihat konstruksi dari

diafragma dan lever vaporizer, LPG tetap mengalir ke mesin saat deselerasi.

Gambaran tentang konstruksi diafragma dan lever vaporizer disajikan dalam

gambar 2.4 berikut.

Gambar 2.4 Konstruksi diafragma dan lever vaporizer

9

2.2. Kerangka Konsep Penelitian

Out line riset dijabarkan dalam kerangka konseptual sebagai berikut :

TEMA PENELITIAN

Pengembangan Sistem Kontrol Pengapian Dan Sistem

Deceleration Fuel Cut Off Pada Kendaraan Bi-Fuel

PERMASALAHAN PADA MOBIL BI-FUEL LPG/BENSIN DENGAN

SISTEM PEMASUKAN MODEL MIXER 1. Perbedaan properti antara LPG dan

bensin khususnya karakteristik kecepatan pembakarannya. 0,82 m/s untuk LPG, dan 20 - 40 m/s bensin.

2. Tidak memungkinkan untuk menyetel ignition timing setiap kali berpindah mode bahan bakar.

3. Emisi yang tinggi dan pemborosan gas saat deselerasi karena faktor kevakuman mesin yang tinggi sementara pada saat deselerasi tidak membutuhkan aliran gas

TUJUAN

Meningkatkan performa mesin dan efisiensi konsumsi bahan

bakar untuk mendukung program konversi bahan bakar gas

METODE

Membuat suatu model kontrol pengapian dan mekanisme pemutus aliran gas (sirkuit

elektronik) yang bekerja secara otomatis menyesuaikan mode operasi bahan bakar dan mode

operasi mesin

DATA

1. Kurva pengapian 2. Tekanan intake manifold; 3. Posisi throttle valve; 4. Tekanan atmosfer; 5. Putaran mesin

PENGUJIAN

Uji perilaku mesin pada

beberapa mode operasi bahan

bakar

OUTPUT

Managemen sistem

pengapian dan aliran gas

OUTCOME

1. Publikasi 2. HKI

PARAMETER

Torsi, Daya, Fuel consumption (alat: dynamometer)

Gambar 2.5 Kerangka Konseptual Penelitian (Outline Riset)

10

BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT

2.1. Tujuan

Tujuan dari penelitian ini untuk mengembangkan sistem kontrol yang bekerja

secara otomatis untuk mengatur saat pengapian pada mobil Bi-fuel (saat

mobil berpindah mode operasi bahan bakar) dan memutus aliran LPG (saat

deselerasi) secara terintegrasi untuk meningkatkan performa dan efisiensi

mobil Bifuel LPG/Bensin.

2.2. Daya ungkit

Dengan riset ini, akan mempercepat pemanfaatan LPG sebagai bahan bakar

kendaraan umum. Pertama, persepsi ketidaknyamanan dengan bahan bakar

LPG dapat direduksi dengan sistem kontrol otomatis pengubah saat

pengapian sehingga tidak perlu melakukan penyetelan. Kedua, konsumsi

bahan bakar dapat ditingkatkan (hemat) dengan mekanisme pemutusan

aliran bahan bakar saat mesin tidak memerlukan. Muara dari riset ini untuk

meningkatkan kesejahteraan masyarakat.

2.3. Keunggulan dan manfaat kegiatan riset

a. LPG tersedia didaerah, sehingga secara teknis dapat dikembangkan

untuk angkutan umum secara merata sampai keluar pulau jawa, sambil

menunggu pembangunan infrastruktur oleh pemerintah.

b. Model sistem kontrol yang dikembangkan menjamin performa mesin

tetap optimal saat mesin beroperasi dengan bensin atau LPG,

sekaligus dapat meningkat konsumsi (hemat) bahan bakar.

c. Pelibatan mahasiswa dalam pelaksanaan riset ini secara langsung

meningkatkan jumlah dan kualitas suberdaya manusia ahli bidang

bahan bakar gas.

d. Riset ini menghasilkan prototipe produk.

11

BAB 4 METODE

4.1. Pendekatan masalah dan metode penyelesaian

Dari paparan permasalahan dan tujuan riset, dapat dilakukan pendekatan

masalah dan metode penyelesaiannya sebagai berikut ;

a. Mekanisme pengubah saat pengapian (ignition timing) saat mesin

berpindah operasi dari bensin ke LPG atau sebaliknya dapat diatur

berdasarkan informasi data kevakuman mesin dari MAP sensor.

Tegangan balik dari MAP sensor ke ECU dimanipulasi melalui

mekanisme kontrol elektronik dan outputnya disuplai ke ECU untuk

memajukan atau mengundurkan saat pengapian.

b. Mekanisme pemutus aliran LPG saat deselerasi dibuat berdasarkan

informasi data kevakuman mesin dari MAP sensor dan data puran

mesin dari speed sensor. Kedua input data ini diolah melalui sistem

kontrol elektronik dan outputnya disuplai kembali ke ECU untuk

mengendalikan solenoid pada vaporizer.

Untuk mengintegrasikan kedua mekanisme sistem kontrol tersebut perlu

dibuat sirkuit terpadu dengan diagram blok rangkaian kontrolnya sebagai

berikut.

Gambar 4.1 Diagram blok sistem kontrol yang direncanakan

12

12

4.2. Road map penelitian

Lingkup penelitian ini terdiri dari tiga tahapan yaitu tahap desain sirkuit, tahap

pembuatan prototype; dan tahap pengujian prototype. Pengujian simulasi

dilakukan pada unit dynamometer dan pengujian riil dilaksanakan pada

kondisi lingkungan yang sebenarnya melalui uji jalan (road test).

Gambar 4.2 Road map Penelitian

MULAI 1. Telaah teknologi yang sudah ada dan penelusuran artikel ilmiah.

2. Observasi data (Kurva pengapian; Tekanan intake

manifold; Posisi throttle valve; Tekanan

atmosfer; Putaran mesin).

Ide teknologi

1. Formulasi konsep (mekanisme pengubah derajat pengapian dan pemutus aliran).

2. Simulasi

DESAIN PENELITIAN

STUDI PENDAHULUAN

PEMBUATAN PROPTOTIPE

Managemen rekayasa, pemilihan komponen, serta Pembuatan prototype.

Pengujian prototype pada berbagai mode bahan bakar dan perilaku mesin dengan parameter ukur Torsi, Daya, Emisi, dan Fuel consumption menggunakan prosedur pengujian baku.

PENGUJIAN PROTOTIPE

PADA DYNAMOMETER

Uji coba prototype pada berbagai variasi perilaku mesin, pada kondisi simulasi dan kondisi kerja sebenarnya

PEMASANGAN PROTOTIPE KE

MESIN

PENYAJIAN HASIL

PENELITIAN Analisis data hasil pengujian, pembahasan, dan publikasi.

SELESAI

ALUR PENELITIAN

KEGIATAN PENELITIAN OUTPUT

Aplikasi konsep

Prototipe

Data uji

Publikasi dan HKI

13

4.3. Peralatan penelitian

Alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain :

1) Alat bantu desain sirkuit ( Livewire-pro )

2) Peralatan produksi ( Electronic equipment )

3) Alat uji ( Chassis Dynamometer, Engine gas analyzer)

4) Olah data dan analisis ( Microsoft office dan Livewire-pro)

14

BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1. Hasil Penelitian dan Pembahasan

5.1.1. Sirkuit Pengubah Saat Pengapian

Sirkuit pengubah saat pengapian yang telah disimulasikan pada software live

wire pro adalah sebagai berikut.

Gambar 5.1 Sirkuit pengubah saat pengapian

Cara kerja sirkuit :

Pada saat fuel selector dipindah dari mode bensin ke LPG, sinyal dari MAP

sensor tidak lagi digunakan untuk mengendalikan jumlah bahan bakar yang

diinjeksikan. Hal ini karena jumlah LPG yang terhisap ke mesin melalui

pengaturan kevakuman diafragma pada vaporizer. Sinyal output dari MAP

sensor dimanipulasi oleh sirkuit IC 1 dan IC 2 untuk diubah nilainya

(diturunkan). Hasil olahan dari sirkuit ini diumpankan balik ke ECU. Dengan

demikian, tegangan output dari MAP sensor akan lebih rendah. Hasilnya,

saat pengapian akan dimajukan beberapa derajat (sesuai stelan yang

diinginkan). Nilai ini dapat diatur dengan mengubah nilai tahanan pada

resistor variabel VR 1.

Saat mode operasi dipindahkan kembali dari LPG ke bensin, relay RL 2 akan

membuka dan menghubungkan kembali output MAP sensor ke ECU.

15

Hasilnya, saat pengapian akan dikembalikan ke kondisi standar. Dengan

sirkuit ini, perbedaan kecepatan pembakaran antara bensin dan LPG dapat

diakomodasi pada saat mobil berpindah mode bahan bakar.

5.1.2. Sirkuit Deceleration Fuel Cut Off

Sirkuit deceleration fuel cut off yang telah disimulasikan pada software live

wire pro adalah sebagai berikut.

Gambar 5.2 Sirkuit deceleration fuel cut off

Cara kerja sirkuit :

Sinyal putaran mesi (NE signal) diubah menjadi tegangan dalam rangkaian F

to V. Output tegangan dari rangkaian ini menjadi input dalam sirkuit fuel cut

off. Saat katup ga menutup (TPS 0%), dan putaran mesin tinggi (diatas 2000

rpm) ini menandakan mesin dalam kondisi deselerasi. Pada kondisi ini, arus

utama ke solenoid LPG diputus. Arus utama ini akan kembali terhubung jika

putaran mesin terbaca kurang dari 2000 rpm (bisa diatur) atau katup gas

membuka.

Dengan sirkuit ini, saat deselerasi tidak akan terjadi aliran LPG ke mesin.

Hasilnya adalah penghematan bahan bakar dan pengurangan emisi.

16

Parameter pengukurannya adalah dalam kg/km untuk konsumsi bahan bakar

dan dalam g/km untuk emisi gas buang.

5.1.3. Rangkaian Terintegrasi

Dalam bentuk utuh, rangkaian pengubah saat pengapian dan rangkaian

deceleration fuel cut off disajikan dalam gambar 5.5 berikut.

Gambar 5.3 Sirkuit terintegrasi

Dalam penelitian ini, dua sirkuit yang berbeda (pengubah saat pengapian

dan deceleration fuel cut off) diintegrasikan dalam satu sirkuit terpadu.

Keduanya dapat disetel sesuai dengan karakteristik mesin. Tujuan

pengintegrasian ini adalah untuk mendapatkan daya, konsumsi bahan bakar,

dan emisi yang optimum secara bersamaan.

17

5.2. Prototipe

Gambar 5.4 Sirkuit terintegrasi

5.3. Pengujian Prototipe

1. Persiapan dan proses pengintegrasian ke ECU

Gambar 5.5 Proses Intergrasi ke ECU

2. Persiapan kendaraan uji dan dynamometer

Mesin yang digunakan dalam penelitian ini adalah Toyota 5A FE yang

dimodifikasi menjadi sistem bi-fuel. Converter yang digunakan adalah

Stefanelli 150 HP. Mesin spesifikasi dan converter disajikan pada Tabel

4.1dan Gambar 5.6 berikut.

18

Tabel 5.1 Spesifikasi mesin

Engine manufacturer

: Toyota

Engine code : 5A-FE

Cylinders : Straight 4

Capacity : 1498 cc

Bore × Stroke : 78.7 × 77 mm

Valve mechanism : DOHC, 4 valves per cylinder, 16 valves in total

Maximum power output

: 77 kw @ 6000 rpm

Maximum torque : 135 Nm @ 4800 rpm

Compression ratio : 9.8:1

Fuel system : EFI

Gambar 5.6 Converter Stefanelli 150 HP

Dalam studi ini, Chassis dynamometer tipe Hofmann dynatest® pro - 260 kW

digunakan untuk menguji daya pada menu "Program P-Max". Mobil

dilakukan aksererasi penuh dari berhenti sampai kecepatan maksimum

dengan mengubah gigi dengan cepat. Setelah tingkat daya maksimum telah

terlampaui, kopling terlepas dan mobil dipacu. Nilai-nilai yang diukur dibaca

dalam bentuk grafik.

Tegangan referensi pada kecepatan idling adalah sekitar 1,4 volt. Ketika

pemilih bahan bakar digeser ke "LPG", RL2 aktif sehingga tegangan dari

sensor MAP akan diproses melalui sirkuit. Ketika modus operasi digeser ke

"Bensin", RL2 menjadi non-aktif, tegangan dari sensor MAP akan dipasok

langsung ke ECU.

19

Melalui sirkuit ini, tegangan output dari sirkuit ditetapkan pada 0,6; 0,8; 1,0;

1,2; dan 1,4 volt. Pengumpulan data dilakukan setiap tiga kali dan diambil

yang terbaik. Torsi dan tenaga mesin dicatat 1500-6000 rpm.

Gambar 5.7 Set Up Pengujian

5.4. Hasil pengujian

Serangkaian tes menunjukkan bahwa kontrol tegangan MAP sensor (yang

berarti mengubah waktu pengapian) memiliki pengaruh besar pada torsi dan

tenaga mesin (gbr. 5.8). Dalam mode operasi LPG dan tanpa kontrol dari

MAPS Feedback (V: 1,4), output mesin sangat rendah (kurva 5). Hal ini jelas

terlihat bahwa daya maksimum yang dihasilkan hanya 61,5 hp @ 5045 rpm,

sementara mode bensin mampu menghasilkan 75,4 hp @ 5.049 rpm (kurva

6). Ada penurunan dari 14,5%. Selain itu, dalam kecepatan mesin di bawah

2000 rpm, ada penurunan daya yang signifikan.

Jika umpan balik MAPS diturunkan menjadi 1,2 volt (kurva 4), tenaga mesin

maksimum meningkat menjadi 68,6 hp @ 5.414 rpm, atau hanya berbeda

9% dari mode operasi bensin. Mesin menunjukkan kinerja yang baik pada

rpm tinggi, tetapi masih kurang di rpm rendah. Hasil yang baik diperoleh

pada umpan balik MAPS V: 1,0 dan V: 0,8 (kurva 3 dan 2) dengan perolehan

daya yang hampir berhimpit, tapi V: 0,80 lebih baik dari V: 1,0. Meskipun

daya maksimum belum bisa menyamai mesin bensin. Hasil ini sesuai

dengan teori yang diberikan oleh Bosch.

20

Ketika tegangan umpan balik diturunkan lagi menjadi 0,6 Volt (kurva 1), daya

maksimum adalah malah menurun. Informasi tambahan diperoleh bahwa

rugi daya dengan penambahan sirkuit ini hanya hanya 4%.

Gambar 5.8 Hasil uji keseluruhan

21

Gambar 5.9 Hasil uji pengaruh penggunaan sirkuit yang dikembangkan

Sementara itu, untuk modul deceleration fuel cut off, baru dilaksanakan uji

simulasi pada livewire-pro. Hasilnya, modul ini terbukti mampu memutus

aliran LPG posisi Throtle Position Sensor (TPS) pada bukaan 0% (tertutup

penuh) sementara putaran mesin masih terbaca diatas 2000 rpm. Tingkat

pemutusan aliran LPG pada rpm tertentu dapat diatur dengan mengubah

nilai potensio meter yang ada dalam rangkaian.

22

BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN

6.1. Kesimpulan

Sebuah sirkuit untuk mengontrol waktu pengapian mesin bi-fuel mampu

menghasilkan kinerja yang baik dalam dua mode bahan bakar, LPG dan

bensin. Ketika mesin beroperasi dalam modus LPG, perubahan tegangan

umpan balik MAP sensor dari 1.4V ke 1,0V memiliki pengaruh yang cukup

besar, meskipun dalam kisaran 1.0V ke 0.6V menunjukkan hasil yang hampir

sama. Pada saat deselerasi, melalui rangkaian deceleration fuel cut off

mampu menghentikan aliran LPG ke mesin selama beberapa saat.

Pemutusan bahan bakar dapat diatur dalam rentang putaran mesin 1500

sampai 2500 rpm. Ini akan menghasilkan penghematan bahan bakar.

6.2. Saran

Sementara ini, untuk mengaplikasikan prototipe ini pada kendaraan

dilakukan dengan mengkoneksikan pada wiring hardness. Kedepan, akan

dikembangkan model yang dapat dikoneksikan pada soket DTC (Diagnosis

Throble Code).

23

DAFTAR PUSTAKA

Bosch. (2010). LPG Spark Plugs. Road Claiton Vic: Robert Bosch (Australia)

Pty Ltd.

Brevitt, B. (2002). Alternative Vehicle Fuels. SCIENCE AND ENVIRONMENT SECTION. London: House Of Commons Lybrary.

Ceviz, M., & Yuksel, F. (2005). Cyclic variations on LPG and gasoline-fuelled. Renewable Energy , 1950-1960.

Dimovski, Kathy. General Information - Ignition timing for engines converted to run on LPG. http://www.acl.com.au/. [Online] Automotive Components Limited. [Cited: 4 September 2015.] http://www.acl.com.au/web/acl00056.nsf/0/359683e8a538a3e64a2566c0007bb33e?OpenDocument.

Dziubinski, M., Walusiak, S., & Pietrzyk, W. (2007). Testing Of An Ignition System In A Car Run On Various Fuels. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln , 97-104.

IEA ETSAP. (2010, April). Automotive LPG and Natural Gas Engines. Technology Brief T03 .

Kazimierz Lejda, A. J., Lejda, K., & Jaworski, A. (2007). Start of Liquid LPG Sequential Injection Influence on The Selected Useful and Ecological Parameters of SI Engine. TEKA Kom. Mot. Energ. Roln , 145-146.

S.M.Lawankar and L.P.Dhamande (2012), “Comparative Study of Performance of LPG Fuelled Si Engine at Different Compression Ratio and Ignition Timing”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 3(4), pp. 337-343.

Mandloi, R. (2010). Long Term Continuous Use Of Auto- LPG Causes Thermal Pitting In Automotive S. I. Engine Parts. International Journal of Engineering Science and Technology , 2(10), 5907-5911.

Masi, M. (2012). Experimental analysis on a spark ignition petrol engine fuelled with LPG (liquefied petroleum gas). Energy, 41, pp. 252-260.

Md. Ehsan. (2006). Effect Of Spark Advance On A Gas Run Automotive Spark Ignition Engine. Journal of Chemical Engineering , 24 (1), pp. 42-49.

Mijo Autogas. (t.thn.). Dipetik Agustus 21, 2013, dari http://www.mijoautogas.co.in/: http://www.mijoautogas.co.in/lpg-components.htm

Mockus, S. (2006). Analysis Of Exhaust Gas Composition Of Internal Combustion Engines Using Liquefied Petroleum Gas. Journal Of Environmental Engineering And Landscape Management , 16-22.

Osch, H. V. (2013). Technique-LPG-Instalatie. Dipetik April 10, 2013, dari http://www.chaosboyz.nl/: http://www.chaosboyz.nl/rubriek/techniek/techlpg.htm

R.R. Saraf, S. a. (2009). Comparative Emission Analysis of. International Journal of Civil and Environmental Engineering , 199-202.

24

Rohmat, T. A., & Saptoadi, H. (2003). Pengaruh Waktu Penyalaan Terhadap Kinerja Spark-Ignition Engine Berbahan Bakar LPG. MEDIA TEKNIK , 68-73.

Saraf, R., Thipse, S., & Saxena, P. (2009). Comparative Emission Analysis of Gasoline/LPG Automotive Bifuel Engine. International Journal of Civil and Environmental Engineering , 199-202.

S.M.Lawankar and L.P.Dhamande (2012), “Comparative Study of Performance of LPG Fuelled Si Engine at Different Compression Ratio and Ignition Timing”, International Journal of Mechanical Engineering and Technology, 3(4), pp. 337-343.

Southwest Research Institute (2014), How Propane Autogas Can Enable High Efficiency Engine, From http://www1.eere.energy.gov/cleancities/pdfs/patf14_ross.pdf.

Tesla Technologies. (t.thn.). Dipetik Agustus 20, 2013, dari http://www.tesla-tech.com/lpg_kit.htm: http://www.tesla-tech.com/lpg_kit.htm

Tomov, O. (2012). Timing Advance Processor for Internal Combustion Engine Running on LPG/CNG. 51 (3.2), pp. 184-187.

World LP Gas Association. (2012). Autogas Incentive Policies, A country-by-country analysis of why and how governments encourage Autogas and what works.

World LP Gas Association. (2014). Autogas Incentive Policies, A country-by-country analysis of why and how governments encourage Autogas and what works.

Lampiran 3. Logbook Penelitian

25

Lampiran. Log book penelitian

26

Lampiran 3. Logbook Penelitian

27

Lampiran. Log book penelitian

28

Lampiran 3. Logbook Penelitian

29

Lampiran. Log book penelitian

30

Lampiran 3. Logbook Penelitian

31

Lampiran. Log book penelitian

32