Kontrol dan

SIMULASI KONTROL ADAPTIF PADA KATUP EXHAUST GAS

RECIRCULATION (EGR) UNTUK MENURUNKAN KADAR NOx

DALAM GAS BUANG MESIN DIESEL

Proposal Tugas Akhir

Oleh:

FILDZAH IMANINA

L2F009101

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

2012

Proposal Tugas Akhir

SIMULASI KONTROL ADAPTIF PADA KATUP EXHAUST GAS

RECIRCULATION (EGR) UNTUK MENURUNKAN KADAR NOx

DALAM GAS BUANG MESIN DIESEL

Yang diajukan oleh

Fildzah Imanina

L2F009101

Kepada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik

Universitas Diponegoro

Telah disetujui oleh

Pembimbing I

Dr. Aris Triwiyatno, ST, MTNIP

Tanggal: ____________________

Pembimbing II

Sumardi, ST, MTNIP

Tanggal: ____________________

Mengetahui,

Koordinator Tugas Akhir

Sukiswo, ST, MTNIP

Tanggal: __________________

ABSTRAK

Beberapa kendaraan yang ada di dunia ini menggunakan mesin diesel,

terutama yang membutuhkan tenaga yang besar. Namun, di samping tenaganya

yang besar, mesin diesel memiliki kekurangan pada kualitas emisi gas buang yang

dihasilkan. Gas buang yang dihasilkan mesin diesel mengandung bahan-bahan

yang berbahaya terhadap kesehatan, terutama NOx. Exhaust Gas Recirculation

(EGR) adalah teknik yang paling efektif saat ini untuk mengurangi emisi NOx

pada internal combustion engines. Pada EGR terdapat katup EGR yang berfungsi

mengalirkan sebagian gas buang agar masuk kembali ke dalam silinder.

Katup EGR perlu untuk dikontrol agar dapat memaksimalkan fungsi EGR

dalam mengurangi kadar NOx dalam gas buang. Bukaan katup EGR dikontrol

dengan metode kontrol adaptif.

1. Judul: Simulasi Kontrol Adaptif pada Katup Exhaust Gas Recirculation

(EGR) untuk Menurunkan Kadar NOx dalam Gas Buang Mesin Diesel

2. Konsentrasi Keilmuan: Teknik Kontrol dan Instrumentasi

3. Latar Belakang Masalah

Beberapa kendaraan yang ada di dunia ini menggunakan mesin diesel.

Kendaraan-kendaraan yang menggunakan mesin diesel biasanya adalah

kendaraan yang memerlukan tenaga yang besar seperti kereta api, truk, bus,

kapal laut, mobil penumpang, excavator, bulldozer, dan lain-lain [2].

Di samping tenaganya yang besar, mesin diesel memiliki kekurangan

pada kualitas emisi gas buang yang dihasilkan. Gas buang yang dihasilkan

mesin diesel mengandung CO2, H2O, N2, dan O2 dalam jumlah yang

signifikan secara termodinamik dan CO, THC, NOx, dan jelaga dalam jumlah

yang tidak signifikan secara termodinamik namun jumlah yang berbahaya

terhadap lingkungan. Pada mesin diesel modern, kombinasi kandungan CO2,

H2O, N2, dan O2 yaitu lebih dari 99% dari gas buang dan kandungan CO,

THC, NOx, dan jelaga adalah kurang dari 1% [5]. Oksida Nitrogen (NOx)

merupakan gas yang berbahaya bagi kesehatan manusia. Diantara berbagai

jenis oksida nitrogen yang ada di udara, nitrogen dioksida (NO2) merupakan

gas yang paling beracun. Bagian dari saluran yang pertama kali dipengaruhi

adalah membran mukosa dan jaringan paru. Organ lain yang dapat dicapai

oleh NO2 dari paru adalah melalui aliran darah. Percobaan pada manusia

menyatakan bahwa kadar NO2 sebsar 250 μg/m3 dan 500 μg/m3 dapat

mengganggu fungsi saluran pernafasan pada penderita asma dan orang sehat

[9].

Exhaust Gas Recirculation (EGR) adalah teknik yang paling efektif

saat ini untuk mengurangi emisi NOx pada internal combustion engines [4].

Penggunaan EGR dapat mengurangi kadar NOx pada gas buang hingga lebih

dari 400 ppm (jumlah pengurangan kadar NOx bervariasi tergantung dengan

beban mesin) [5].

Pada EGR terdapat katup EGR yang berfungsi mengalirkan sebagian

gas buang agar masuk kembali ke dalam silinder. Selain dapat mengurangi

kadar NOx dalam gas buang, teknik ini juga dapat menghemat penggunaan

bahan bakar. Katup EGR juga perlu untuk dikontrol. Karena jika terlalu

banyak gas buang yang bercampur dengan udara yang masuk ke intake

manifold akan menurunkan tenaga mesin dan meningkatkan emisi particulate

matter (PM) pada gas buang [11].

Penelitian ini perlu dilakukan untuk memaksimalkan penggunaan EGR

sehingga dapat mengurangi kadar NOx dalam gas buang yang dihasilkan oleh

mesin diesel dengan menggunakan kontrol adaptif.

4. Batasan Masalah

Agar tidak menyimpang dari permasalahan, maka pembatasan masalah

tugas akhir ini adalah sebagai berikut:

1) Mesin yang digunakan adalah mesin diesel (Compression Ignited Engine)

yang merupakan mesin pembakaran dalam (Internal Combustion Engine)

4 langkah.

2) Katup EGR yang digunakan adalah katup EGR elektronik.

3) Metode kontrol yang digunakan adalah kontrol adaptif.

4) Tugas akhir ini merupakan simulasi, tidak diaplikasikan langsung pada

mesin diesel.

5. Tujuan Penelitian

Tugas akhir ini bertujuan untuk memaksimalkan penggunaan EGR

dengan menggunakan kontrol adaptif untuk mengatur bukaan katup EGR

dengan tujuan mengurangi kadar NOx dalam gas buang mesin diesel.

6. Kajian Pustaka

6.1 Kajian Hasil Penelitian Terdahulu

Adaptive Control of Exhaust Gas Recirculation at Nonroad Vehicle Diesel

Engine oleh Andrzej Bieniek, Mariusz Graba, dan Andrzej Lechowicz. Opole

University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Opole,

Polandia.

6.2 Landasan Teori

6.2.1 Mesin Diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam, yaitu sebuah

mesin pemicu kompresi yang bahan bakarnya dinyalakan oleh suhu tinggi

gas yang dikompresi dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi) [1].

Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel yang

menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin

untuk dapat digunakan dengan bebagai macam bahan bakar termasuk debu

batu bara. Ia menunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia)

tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang. Kemudian diperbaiki dan

disempurnakan oleh Charles F. Kettering [1].

6.2.1.1 Prinsip Kerja Mesin Diesel

Mesin diesel adalah mesin kalor yang memiliki prinsip kerja

dengan menggunakan siklus diesel [6]. Motor diesel dikategorikan dalam

motor bakar torak dan mesin pembakaran dalam (internal combustion

engine). Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energy kimia menjadi

energy mekanis. Energi kimia didapatkan melalui proses reaksi kimia

(pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam

silinder (ruang bakar) [3].

Perbedaan utama antara motor diesel dan motor bensin yang nyata

adalah terletak pada proses pembakaran bahan bakar, pada motor bensin

pembakaran bahan bakar terjadi karena adanya loncatan api listrik yang

dihasilkan oleh dua elektroda busi (spark plug), sedangkan pada motor

diesel pembakaran terjadi karena kenaikan termperatur campuran udara

dan bahan bakar akibat kkompresi torak hingga mencapai temperature

nyala. Karena prinsip penyalaan bahan bakarnya akibat tekanan maka

motor diesel disebut juga compression ignition engine sedangkan motor

bensin disebut spark ignition engine [3].

Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti

dinyatakan oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini

untuk proses pembakaran Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin

diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari

rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum pison pada posisi

Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan

bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui

nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi.

Hasil percampuran ini menyala dan membakar dengan cepat.

Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston

mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Ledakan

tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang

dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga

linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke

crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tersebut diubah menjadi

tenaga putar yang dimanfaatkan untuk berbagai keperluan [1].

Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya

ditambahkan komponen berikut:

Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara

yang masuk ke ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar

didorong oleh turbin pada turbocharger atau supercharger.

Intercooler untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar.

Udara yang panas volumenya akan mengembang begitu juga

sebaliknya, maka dengan didinginkan bertujuan supaya udara yang

menempati ruang bakar bisa lebih banyak.

Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin bertujuan

meningkatkan jumlah udara yang masuk dalam ruang bakar dengan

demikian pada saat kompresi akan menghasilkan tekanan yang tinggi dan

pada saat penyalaan atau pembakaran akan menghasilkan tenaga yang

besar [1].

Mesin diesel sulit untuk hidup pada saat mesin dalam kondisi

dingin. Beberapa mesin menggunakan pemanas elektronik kecil yang

disebut busi menyala (spark/glow plug) di dalam silinder untuk

memanaskan ruang bakar sebelum penyalaan mesin. Lainnya

menggunakan pemanas “resistive grid” dalam “intake manifold” untuk

menghangatkan udara masuk sampai mesin mencapai suhu operasi [1].

Pada cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan

meningkatkan viskositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Hal ini

dapat mempengaruhi system bahan bakar dari tangki sampai nozzle,

membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin menjadi sulit. Cara umum

yang dipakai adalah memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan

bakar secara elektronik [1].

6.2.1.2 Tipe Mesin Diesel

Mesin diesel dibedakan menjadi dua, yaitu mesin diesel 4 tak dan

mesin diesel 2 tak.

a. Mesin Diesel 4 Tak [6]

1) Langkah pertama, disebut dengan suction stroke

Gambar 2.1 Langkah pertama mesin diesel 4 tak.

Udara murni akan tersedot oleh piston yang bergeser ke bawah.

2) Langkah kedua, disebut dengan langkah kompresi

Gambar 2.2 Langkah kedua mesin diesel 4 tak.

Piston akan memampatkan udara ke atas.

3) Langkah ketiga, disebut dengan power stroke

Gambar 2.3 Langkah ketiga mesin diesel 4 tak.

Pada bagian atas yang tertutup, udara dalam kondisi terkompresi

secara maksimal. Tekanan dan suhu menjadi sangat tinggi.

Kemudian fuel injector menyuntikkan bahan bakar ke dalam udara

yang panas. Sehingga pada suhu bahan bakar yang tinggi bias

menekan piston ke bawah. Proses ini dilakukan bersama dengan

bagian crankshaft.

4) Langkah keempat, disebut dengan langkah pembuangan

Gambar 2.4 Langkah keempat mesin diesel 4 tak.

Gas yang dihasilkan dari proses pembakaran akan dikeluarkan dari

silinder melalui katup kedua oleh piston yang kemudian akan

bergerak ke atas lagi.

b. Mesin Diesel 2 Tak [6]

Gambar 2.5 Langkah kerja mesin diesel 2 tak.

1) Langkah 1A

Padapermulaan gerakan, piston akan bergerak ke atas sedangkan

LM dan LB dalam keadaan terbuka. Udara bertekanan akan masuk

ke silinder dan meniup sisa gas pembakaran melalui LB.

2) Langkah 1B

Piston akan bergerak ke atas, LM dan LB dalam keadaan tertutup

oleh dinding piston. Udara bersih yang berada dalam silinder akan

dimampatkan. Kemudian bahan bakar disemprotkan dan akan

terjadi ledakan.

3) Langkah 2A

Piston akan bergerak ke bawah dengan dorongan gas yang

diledakkan.

4) Langkah 2B

Pada bagian akhir gerakan, piston akan bergerak ke bawah. LB

sudah terbuka sehingga gas hasil pembakaran mulai keluar karena

efek dari ektivitas pemompaan.

6.2.2 Exhaust Gas Recirculation (EGR)

Berdasarkan peraturan mengenai emisi gas buang, maka kadar NOx

pada gas buang harus dikurangi sesuai dengan jumlah yang ditetapkan.

Karena NOx dibentuk pada suhu yang tinggi, salah satu cara untuk

memenuhi kebutuhan ini adalah dengan membatasi jumlah udara berlebih

selama pembakaran. Hal ini dilakukan dengan mengarahkan gas buang dari

saluran gas buang ke saluran udara masukan dengan bantuan Exhaust Gas

Recirculation (EGR). Dengan cara ini, campuran udara luar dan gas buang

akan masuk ke silinder, menjaga suhu pembakaran tetap rendah. EGR

memiliki katup dan pendingin. Fungsi pendingin ini dapat digambarkan

sama dengan intercooler [7].

Persentase Exhaust Gas Recirculation (EGR(%)) didefinisikan

sebagai persentase gas buang yang dimasukkan kembali ke silinder. Lebih

dari 30% gas buang dapat diresirkulasi [4].

EGR ( %)=(mEGR /mi)× 100

dimana :

mi=ma+mf +mEGR mi = massa intake mixture

ma = massa udara dalam silinder

mf = massa bahan bakar dalam silinder

mEGR = massa gas buang yang dimasukkan kembali ke dalam silinder

Definisi lainnya dari persentase EGR juga digunakan, berdasarkan

perbandingan antara EGR dan campuran antara bahan bakar dan udara [4]:

EGR ( %)=[mEGR

ma+m f

]× 100

Pada beberapa kasus, rasio EGR juga didefinisikan sebagai

perbandingan volume gas yang diresirkulasi terhadap total intake charge.

Dalam beberapa kasus, rasio EGR dapat mencapai 50% [4].

EGR ( %)=[V EGR

V air+V f +V EGR

]×100

6.2.2.1 Klasifikasi Sistem EGR

Berbagai sistem EGR dapat diklasifikasikan berdasarkan suhu

EGR, konfigurasi, dan tekanan [10].

1) Klasifikasi berdasarkan suhu

a. Hot EGR

Gas buang diresirkulasi tanpa didinginkan, menghasilkan

peningkatan suhu intake charge.

b. Fully cooled EGR

Gas buang didinginkan sebelum bercampur dengan udara masukan

dengan menggunakan air sebagai penukar panas. Dalam kasus ini,

embun yang dihasilkan di dalam gas buang dapat memadatkan dan

menghasilkan tetesan air sehingga menyebabkan efek yang tidak

diinginkan di dalam silinder mesin.

c. Partly cooled EGR

Untuk menghindari pemadatan air, suhu gas buang dijaga agar

tetap di atas suhu titik embun.

2) Klasifikasi berdasarkan konfigurasi

a. Long route system (LR)

Penurunan tekanan di udara masukan dan tekanan stagnasi dalam

aliran gas buang memungkinkan EGR dalam system LR.

Percepatan gas buang membuat tekanan stagnasi kecil yang

dikombinasi dengan tekanan rendah setelah udara masukan,

menimbulkan peningkatan pada perbedaan tekanan untuk

mencapai EGR di seluruh torsi/kecepatan mesin.

b. Short route system (SR)

Sistem ini sebagian besar berbeda dalam metode yang digunakan

untuk menghasilkan perbedaan tekanan yang positif di EGR

circuit.

3) Klasifikasi berdasarkan tekanan

a. Low pressure route system

Lintasan EGR adalah dari muara pada turbin ke sisi hulu pada

compressor. Dengan menggunakan metode ini, memungkinkan

EGR untuk mencapai daerah beban tinggi dengan penurunan NOx

yang signifikan. Bagaimanapun juga, beberapa masalah terjadi,

mempengaruhi ketahanan, suhu keluaran compressor tinggi, dan

penyumbatan intercooler.

b. High pressure route system

EGR dilewatkan dari hulu turbin ke muara compressor. Pada

metode ini, meskipun memungkinkan EGR mencapai daerah beban

tinggi, perbandingan udara berlebih menurun dan konsumsi bahan

bakar meningkat tinggi.

6.2.2.2 Katup EGR

Ada tiga macam katup EGR, yaitu Differential Pressure Feedback

EGR (DPFE), Electronic EGR (EEGR), dan Integral Backpressure

Transducer EGR [8].

DPFE mengontrol laju aliran EGR dengan memonitor secara

langsung tekanan yang melewati orifice. Sensor DPFE kemudian

mengubah sinyal tekanan menjadi tegangan analog yang kemudian dikirim

ke Powertrain Control Module (PCM). PCM mengubah sinyal ke dalam

bentuk digital dan menghitung aliran EGR yang optimal. Pada system

DPFE, katup EGR menyediakan regulator tekanan bukan alat pengukur

aliran [8].

Pada system EEGR, aliran EGR dikontrol oleh computer melalui

sensor EGR Valve Position (EVP) pada katup. Katup dioperasikan dengan

sinyal dari electronic vacuum regulator yang menggerakkan rongga katup.

Pergerakkan ini memungkinkan gas buang untuk diresirkulasi [8].

Katup Integral Back Pressure EGR mengkombinasikan input back

pressure dan EGR port vacuum menjadi satu unit. Kedua input dibutuhkan

untuk mengoperasikan katup. Sistem Integral Back Pressure Transducer

EGR terdiri dari katup EGR Load Control (WOT) dan Vacuum Control

Valve (VCV) [8].

6.2.2.3

6.2.3 Kontrol Adaptif Katup EGR

6.2.4

7. Metode Penelitian

Beberapa metode penelitian yang digunakan dalam tugas akhir ini

adalah sebagai berikut:

1. Kajian Pustaka

Metode ini dilakukan dengan mempelajari buku-buku acuan, makalah-

makalah, serta dokumentasi dari Internet yang mendukung penyusunan

Tugas Akhir ini.

2. Perancangan Program

Pada tahapan ini melakukan perancangan perangkat lunak untuk

mensimulasikan kontrol adaptif pada katup EGR pada mesin diesel.

3. Analisis

Pada tahap ini melakukan analisis terhadap hasil penelitian yang telah

dilaksanakan.

4. Penyusunan Laporan

Hasil penelitian dan analisis dituangkan dalam bentuk laporan tugas akhir.

8. Jadwal Penelitian

DAFTAR PUSTAKA

[1] http://id.wikipedia.org/wiki/Mesin_diesel -- diakses pada 5 Oktober 2012

[2] http://www.engineeringtown.com/kids/index.php/kamu-harus-tahu/65-

bagaimanakah-cara-kerja-mesin-diesel -- diakses pada 5 Oktober 2012

[3] http://gudangilmu.org/2007/11/24/prinsip-kerja-mesin-diesel/ -- diakses

pada 5 Oktober 2012

[4] Abd-Alla, G.H. 2001. Using Exhaust Gas Recirculation in Internal

Combustion Engines: a Review. Energy Conversion and Management 43

(2002) 1027-1042.

[5] Zheng,Ming; Reader,Graham T.; Hawley,J. Gary.2003. Diesel Engine

Exhaust Gas Recirculation-a Review on Advance and Novel Concepts.

Energy Conversion and Management 25 (2004) 883-900.

[6] http://carapedia.com/kerja_diesel_info2560.html -- diakses pada 5 Oktober

2012

[7] Ramstedt,Magnus. 2004. Cylinder-by-Cylinder Diesel Engine Modelling – A

Torque-based Approach. Master’s Thesis, Dept. of Electrical Engineering,

Linköpings-Universitet.

[8] http://www.autozone.com/autozone/repairguides/Ford-Crown-Victoria-

Grand-Marquis-1989-1998/Emission-Controls/Exhaust-Gas-Recirculation-

System/_/P-0900c152801e4921 -- diakses pada 17 Oktober 2012

[9] Tugaswati, A. Tri. 2004. Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor dan

Dampaknya Terhadap Kesehatan.

[10] Agrawal, Avinash Kumar; Singh, Shrawan Kumar; Sinha, Shailendra;

Shukla, Mritunjay Kumar. 2003. Effect of EGR on the Exhaust Gas

Temperature and Exhaust Opacity in Compression Ignition Engines.

Sādhanā Vol. 29, Part 3, June 2004, pp. 275-284.

[11] Bieniek, Andrzej;Graba, Mariusz; Lechowicz, Andrezej.2011.Adaptive

Control of Exhaust Gas Recirculation at Nonroad Vehicle Diesel Engine.

Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 18 No. 4 2011.