1

PENGEMBANGAN PROTOTIPE DISTRIBUTORLESS DIGITALIGNITION MULTI PURPOSE

1Mohamad Muzni H, Bambang Sampurno2 dan I Nyoman Sutantra3

1Jurusan Teknik Mesin Universitas Khairun, Ternate Maluku Utara, Indonesiaerik_cinta@yahoo.com

2Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Indonesia3Guru Besar Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Indonesia

Abstrak. Dalam sistem pengapian konvensional digunakan distributor untuk membagi tegangan sekunderyang berasal dari coil menuju busi (spark plug). Sistem ini memiliki beberapa kelemahan, diantaranya terjadikerusakan pada platina, oil seal dan keausan pada carbon electrode yang mengakibatkan berkurangnya dayapengapian. Untuk mengatasi permasalahan distributor, beberapa produsen kendaraan telah merancang sistempengapian kendaraan yang meniadakan komponen distributor (distributorless). Namun Sistem distributorlesstersebut merupakan sistem dual ignition dengan power ignitor analog, sehingga masih menggunakan sistem analogdan sulit diakses oleh pengguna (black box). Sementara Sampurno (2007) telah merancang distributorless digitalmulti purpose, namun sistem ini tidak fleksibel.

Dalam makalah ini diusulkan sistem distributorless digital terbaru yang dapat diprogram (programmable)dan digunakan untuk berbagai kendaraan (multi purpose). Sistem ini menggunakan mikroprosessor AT89S51sebagai kontroller dengan bahasa C++, filter sinyal, sensor putaran menggunakan hall IC dan power transistoruntuk mengsuplay arus ke coil. Untuk memperoleh gambaran awal dari kinerja sistem dilakukan simulasi komputerdengan menggunakan software Proteus 6.2 sp4. Dari hasil simulasi selanjutnya dibuat prototipe sistemdistributorless digital dengan data kendaraan Toyota kijang dan Daihatsu zebra. Pengujian prototipe dilakukanuntuk mengetahui time delay, derajad pengapian before top dead center (BTDC), arus dan tegangan padakumparan primer dan sekunder coil. Hasil penelitian menunjukkan makin besar putaran, time delay makin kecil,sedangkan BTDC makin besar, kecenderungan dari sistem tersebut sesuai dengan kebutuhan sistem pengapianpada kendaraan. Sementara arus pada kumparan primer mencapai 6 (A) dan kumparan sekunder 30 (mA),tegangan kumparan primer mencapai 590 (Volt) dan sekunder 59 (kV). Hasil rancangan ini menunjukkan bahwasistem pengapian dengan menggunakan distributorless digital lebih baik dari sistem pengapian denganmenggunakan distributor dan distributor analog.

Kata Kunci : Distributorless Digital, Multi Purpose, Programmable, Waktu Tunda dan Derajad Pengapian

1. PendahuluanUmumnya kendaraan roda empat masih menggunakan komponen distributor sebagai pembagi

tegangan sekunder coil pengapian untuk disalurkan ke busi pada silinder yang membutuhkan. Sistem inirelatif sederhana karena menggunakan komponen mekanis untuk mengatur waktu pengapian. Namunsistem ini memiliki beberapa permasalahan diantaranya kerusakan permanen pada platina dan kapasitorakibat dialiri arus yang cukup besar, keausan pada komponen bergerak (moving parts), kerusakan padakomponen vacuum advancer dan rute pengapian yang relatif panjang. Kondisi ini dapat mengurangi dayapengapian, gangguan pada firing order sehingga dapat melemahkan akselerasi mesin dan prosespembakaran menjadi tidak sempurna.

Beberapa produsen kendaraan telah mengeluarkan varian diantaranya Mitsubishi Eterna DOHCECI Multi (1990), Suzuki Baleno (1997), Daihatsu Taruna EFI (2000) dan Hyundai Atoz (2005) yangtelah menggunakan sistem pengapian dengan meniadakan komponen distributor (distributorless) ataudikenal dengan direct igntion. Sistem distributorless yang dikembangkan pada kendaraan diatasmenggunakan sistem Distributorless Dual Ignition System (waste spark) dengan menggunakan sensorputaran dan kemudian dikoreksi timing pengapiannya dengan power ignitor analog. Namun sistemdistributorless yang dikembangkan oleh beberapa kendaraan diatas disamping belum terbagi secaraindependen (masing-masing busi) juga merupakan sistem black box yang sulit bahkan tidak bisa diaksesoleh pengguna (programer), sehingga tidak mudah melakukan pemeliharaan. Akibatnya sistemdistributorless tersebut harus di reset bahkan harus diganti jika mengalami gangguan. Pengesetan atau

2

penggantian distributorless merupakan solusi yang membutuhkan biaya mahal. Disamping itu, parakonsumen kendaraan terus menerus mengalami ketergantungan teknologi.

Mengacu pada permasalahan distributor dan distributorless analog, maka dalam makalah inidipaparkan sistem distributorless terbaru yang menggunakan teknologi digital yang dapat diprogram dandapat diterapkan pada berbagai kendaraan. Sistem ini disamping untuk memperbaiki proses pembakaranjuga diharapkan mempermudah konsumen dalam pemeliharaan sekaligus mengurangi ketergantunganpada produsen kendaraan.

2. Tinjauan PustakaPada sistem pengapian konvensional, komponen distributor digunakan sebagai pembagi tegangan

sekunder dari coil pengapian yang selanjutnya disalurkan ke busi. Sistem ini mengandalkan mekanismurni untuk mengatur waktu pengapian sebagaimana Gambar 1.

Gambar 1. Komponen Distributor

Terlihat bahwa komponen distributor terdiri dari komponen yang bergerak dan diam. Komponenyang bergerak diantaranya mechanical advancer, distributor shaft, platina, rotor dan bearing (bushing),sedangkan komponen yang diam diantaranya kondensator, housing dan cap distributor. Sebagaipendistributor tegangan tinggi ke busi maka dibutuhkan kabel busi yang relative panjang dan memilikispesifikasi tertentu. Melihat dari struktur distributor diatas, sistem ini memiliki permasalahan diantaranyaterjadi kerusakan permanen pada platina dan kapasitor akibat dialiri arus yang cukup besar, keausan padakomponen bergerak (moving parts), kerusakan pada komponen vacuum advancer dan rute pengapianyang relatif panjang. Kondisi ini dapat mengurangi daya pengapian, gangguan pada firing order sehinggadapat melemahkan akselerasi mesin dan pembakaran menjadi tidak sempurna.

Untuk mengantisipasi kelemahan sistem distributor, beberapa kendaraan telah menerapkan sistemdistributorless. System distributorless yang dikembangkan menggunakan system distributorless dualignition system (Waste Spark) dengan sensor putaran dan kemudian dikoreksi timing pengapiannyadengan power ignitor analog sebagaimana Gambar 2.

Gambar 2. Diagram Distributorless Dual Ignition System (waste spark).

Pada Gambar 2 terlihat pada sistem dual ignition, pengapian secara bersamaan diterapkan pada duasilinder yang berpasangan (keduanya pada posisi beberapa derajad sebelum TDC), dimana satu silinderpada posisi yang membutuhkan dan silinder pasangannya pada posisi tidak membutuhkan. Oleh karenapengapian dibuang pada satu silinder yang tidak membutuhkan, maka sistem ini dikenal dengan istilah

3

waste spark ignition. Untuk mesin bensin empat silinder dengan firing order 1-3-4-2, terdapat dua pasangsilinder, yaitu 1-4 dan 2-3, sehingga diperlukan dua coil pengapian untuk melayani dua pasang silindertersebut. Namun system distributorless diatas merupakan sistem black box yang sulit bahkan tidak bisadiakses oleh pengguna (programer), sehingga tidak mudah melakukan perbaikan jika terjadi kerusakan.

Beberapa peneliti juga melakukan studi maupun merancang system distributorless analog maupundigital, diantaranya Mircea and Dumitru (2007) yang mempelajari system distributorless waste ignition,dimana diperoleh hasil kurva tegangan primer dan sekunder sebagaimana Gambar 3. Terlihat bahwa padasaat terjadi pembakaran (waktu 5 ms), tegangan primer sekitar 360 volt sedangkan tegangan sekundercoil mencapai -36 kV. Dari grafik terlihat tegangan sekunder coil mengalami harga negatif, disebabkankarena arus yang mengalir dari ground ke elektroda. Beberapa kendaraan telah menggunakan pembalikantegangan karena dapat mengurangi panas di elektroda.

Gambar 3. Grafik tegangan primer dan sekunder terhadap waktu

Sementara itu Sampurno B (2007) telah merancang prototype system distributorless digital multipurpose sesuai dengan kebutuhan sistem pengapian. Sistem ini menggunakan hall sensor tipe KA8940dan mikrokontroller AN4006. Hasil pengujian tegangan primer dan tegangan skunder distributorlessdigital multi purpose memiliki kemampuan dalam menstabilkan tegangan primer dan skunder padaberbagai putaran dan mampu menghasilkan time delay dan derajad BTDC yang mendekati kebutuhankendaraan. Namun sistem tersebut menggunakan mikrokontroller yang sulit dilakukan penyesuaiandengan kendaraan roda empat.

3. Metode PenelitianTahap awal dilakukan kajian literatur dan produk yang berkaitan dengan distributor dan

distributorless untuk memperoleh karakteristik, dimensi dan persoalan nyata dari sistem tersebut. Darihasil kajian diperoleh kelemahan sistem distributor dan distributorless analog sehingga diperlukanteknologi baru untuk mengantisipasi kompleksitas sinyal, kelemahan pada sistem analog dan kemudahandalam pemeliharaan.

Disain awal dari penelitian ini menggunakan software proteus 6.2 Sp4 untuk merancang rangkaianelektronika kemudian dilakukan simulasi untuk memperoleh time delay ideal sesuai dengan putaranmesin. Berdasarkan hasil rancangan sirkuit elektronik maka dipilih komponen yang selanjutnya dirangkaimenjadi prototipe. Kemudian dilakukan uji prototipe untuk memperoleh system performance yangberkaitan dengan time delay dan derajad BTDC. Pengujian dilakukan pada putaran 1000 rpm sampaidengan 4000 rpm dengan pertambahan per 100 rpm. Pengujian selanjutnya untuk mengetahui arus dantegangan kumparan primer dan kumparan skunder coil. Dari hasil pengujian arus dan tegangan kemudiandianalisis performanya dengan membandingkan sistem yang menggunakan distributor dan distributorlessanalog.

4. Analisis Hasil Simulasi dan Prototipe4.1. Perancangan dan Pengujian Simulasi Komputer

Secara lebih detailnya perancangan rangkaian elektronika system distributorless digital ignitionmulti purpose dari simulasi komputer dengan menggunakan software proteus 6.2 Sp4 dapat dilihat dalamGambar 4. Dari Gambar 4 terlihat bahwa J-Clock yang menerima sinyal dari masing-masing sensor,selanjutnya diberikan ke mikrokontroller setelah melalui konverter. Di dalam mokrokontroller diaturwaktu pengapian sesuai dengan kebutuhan. Keluar dari mikrokontroller sinyal tersebut dikuatkan oleh

Primer

Sekunder

4

power transistor setelah melalui logika not. Power transistor berfungsi untuk menguatkan arus menujutegangan primer coil. Kemudian tegangan primer digandakan 100 kali menjadi tegangan skunder.Keluaran dari coil berupa tegangan skunder langsung dihubungkan dengan busi.

Gambar 4. Rangkaian Elektonika Pengapian SDDIMP.

Setelah komponen elektronika dirangkai maka dilakukan simulasi komputer untuk memperolehtime delay yang dibutuhkan. Besarnya time delay pada masing-masing putaran mengacu pada hasilperhitungan. Hasil perhitungan diperoleh dari data yang diketahui berupa putaran mesin dan konstantayang ada, sehingga dapat menentukan time delay ideal yang nantinya dibandingkan dengan time delaysimulasi komputer. Adapun perhitungan secara matematis :

/ 2

zT

rps

dimana : z = jumlah silinderrps = radian per sekon2 = transmisinrate

Satuan dari time delay : milli sekon (ms)Pada putaran 1000 (rpm) merupakan putaran awal dimana waktu pengapian busi (frekuensi pengapian) T= 1/(rps/2) untuk satu busi, rps = 1000/60 = 16.7 (Hz), sehingga diperoleh waktu tunda (time delay) T =1/(16.7/2) = 119,761 (ms). Untuk putaran 4000 (rpm) menghasilkan rps = 4000/60 = 66.7 (Hz), sehinggadiperoleh waktu tunda (time delay) T = 1/(rps/2) = 1/(66.7/2) =22,985 (ms). Perhitungan dilakukan setiap kenaikan 100 (rpm).

4.2 Perancangan dan Pengujian PrototipeHasil rangkaian elektronika dengan menggunakan software selanjutnya direalisasikan kedalam

prototipe system distributoless digital ignition multi purpose sebagaimana Gambar 5. Prototipe yangterlihat pada gambar dirangkai sehingga memperoleh peforma yang diinginkan dan digunakan untukproses pengujian performance system. Performa yang diuji antara lain time delay, derajad BTDC, arusdan tegangan primer serta arus dan tegangan skunder.

Gambar 5. Prototipe SDDIMP

Terlihat dari Gambar 5 komponen prototipe antara lain kunci kontak(1), voltmeter(2), lampuindikator(3), electronics control modul(4), filter(5), rumah hall sensor(6), coil(7) dan busi(8).

5

4.3 Hasil Pengujian PrototipeUntuk memperoleh performa prototype distributoless digital ignition multi purpose maka

dilakukan pengujian. Hasil pengujian derajad pengapian (BTDC) terhadap putaran sebagaimana Gambar6. Pengujian dilakukan pada silinder satu yang merupakan representasi dari silinder lainnya, dimana padakendaraan empat silinder firing order 1-3-4-2 yang diawali pada 8 derajad BTDC. Terlihat dari gambarmakin besar putaran maka makin besar derajad yang dibutuhkan untuk pengapian (kasus kendaraandaihatsu zebra).

Sedangkan pada Gambar 7 terlihat time delay makin kecil dengan bertambahnya putaran mesin.Kondisi ini sesuai dengan kebutuhan pengapian, dimana makin cepat putaran maka makin kecil waktuyang dibutuhkan untuk pengapian. Dalam pengujian ini, putaran awal motor 1000 (rpm) yang terjadi pada8 derajad pengapian BTDC, kemudian dinaikkan setiap putaran 100 (rpm) hingga putaran maksimum4000 (rpm).

Gambar 6. Grafik Derajad Pengapian terhadap putaran Mesin

Gambar 7. Grafik time delay terhadap putaran mesin

4.4 Pengujian Arus dan Tegangan4.4.1 Hasil Pengujian Arus dan Tegangan Primer/Sekunder Distributor

Pengukuran arus dan tegangan primer terhadap waktu pengapian sistem distributor kendaraanDaihatsu Zebra, terlihat pada Gambar 8. Sedangkan hasil pengujian arus dan tegangan sekunder terlihatpada Gambar 9.

Gambar 8. Grafik Arus dan Tegangan Primer terhadap Waktu pada Distributor Kendaraan Daihatsu ZebraT

3000.m

10000.V00000.V

20000.V

30000.V

10000.V20000.V30000.V

1000.m0000.m

2000.m

3000.m

1000.m2000.m

3.200m0.000m 6.200m 9.200m 12.200m

6

Gambar 9. Grafik Arus dan Tegangan Sekunder terhadap Waktu pada Distributor Kendaraan Daihatsu Zebra.

Dari Gambar 8 terlihat hasil pengujian arus dan tegangan primer kendaraan yang menggunakandistributor maksimum arus sekitar 14,5 (mA), sedangkan tegangan primer maksimum sekitar 270 (Volt).Pada Gambar 9 terlihat hasil pengujian arus dan tegangan sekunder kendaraan yang menggunakandistributor maksimum sekitar 2,9 (Amper) sedangkan tegangan sekunder maksimum sekitar 27 (kV).

4.4.2 Hasil Pengujian Arus dan Tegangan Primer/Sekunder DistributorlessPengukuran arus dan tegangan primer terhadap waktu pengapian system distributorless digital

ignition multi purpose terlihat pada Gambar 10. Sedangkan pengujian arus dan tegangan sekunder terlihatpada Gambar 11.

Gambar 10. Grafik Arus dan Tegangan Primer terhadap Waktu pada System Distributorless Digital Ignition Multi Purpose

Gambar 11. Grafik Arus dan Tegangan Sekunder terhadap Waktu pada System Distributorless Digital Ignition Multi Purpose

Dari Gambar 10 terlihat hasil pengujian arus dan tegangan primer system distributorless digitalignition multi purpose maksimum arus sekitar 30 (mA), sedangkan tegangan primer maksimum sekitar590 (Volt). Pada Gambar 11 terlihat hasil pengujian arus dan tegangan sekunder system distributorless

6000.m

20000.V00000. V

40000.V60000.v

20000. V40000. V60000. V

3.000m0.000m 6.000m 9.000m

2000.m0000.m

4000.m6000.m

2000.m4000.m

7

digital ignition multi purpose maksimum sekitar 6 (Amper) sedangkan tegangan sekunder maksimumsekitar 59 (kV).

Dari hasil pengujian menunjukkan system distributorless analog dan digital memiliki arus dantegangan lebih tinggi dibandingkan dengan sistem yang menggunakan distributor. Hal ini dikarenakanpada system distributorless terjadi pengurangan rute pengapian sehingga voltage drope menurun secarasignifikan. Sementara hasil pengujian distributorless digital memiliki arus dan tegangan lebih baikdibandingkan distributorless analog, karena pada distributorless digital kabel busi sudah tidak ada lagi,sehingga voltage drop semakin menurun. Arus dan tegangan yang dihasilkan distributorless digitalignition multi purpose relatif besar, dikarenakan pemilihan komponen elektonika dan sistem rangkaianelektronika yang tepat. Sementara kelebihan arus dan tegangan pada coil tersebut diharapkan mampumenghasilkan daya pengapian yang besar pada busi dan proses pembakaran bahan bakar-udara lebihsempurna di dalam ruang bakar. Dampak langsung dari proses pembakaran yang lebih sempurna makaakan terjadi efisiensi pemakaian bahan bakar menjadi hemat serta emisi gas buang menjadi lebih baik.Energi yang dihasilkan keluaran dari elektroda busi besar, sehingga umur atau usi pemakaian busibertambah panjang menghasilkan performance dan akselerasi kendaraan yang baik.

5. KesimpulanDari hasil rancangan rangkaian elektronika simulasi komputer dan prototype distributoless digital

ignition multi purpose beserta pengujiannya dapat disimpulkan bahwa :1. Untuk mengatasi voltage drop pada penyaluran tegangan ke busi dan mengatasi sistem analog maka

digunakan system distributoless digital ignition multi purpose.2. Arus primer system distributorless digital lebih besar 70 % dibandingkan sistem distributor dan 50 %

system distributorless analog.3. Tegangan primer system distributorless digital lebih besar 70 % dibandingkan sistem distributor dan

50 % system distributorless analog.4. Arus sekunder system distributorless digital lebih besar 70 % dibandingkan sistem distributor dan 50

% system distributorless analog.5. Tegangan sekunder system distributorless digital lebih besar 70 % dibandingkan sistem distributor

dan 50 % system distributorless analog.6. Waktu pengapian lebih tepat dan singkat, sehingga proses pembakaran bahan bakar-udara menjadi

lebih sempurna dan kualitas emisi gas buang pada kendaraan dapat ditingkatkan, sehingga dayaoutput mesin lebih besar karena penggunaan satu coil pengapian pada tiap silinder tanpamenggunakan kabel busi yang panjang (Direct Ignition),

Ucapan Trima KasihBapak Direktur CV. Stanly Co., malang.

Daftar Pustaka[1] Abdul Kadir, 1995, ”Pemrograman C++”, Andi Yogyakarta.[2] Anonim, 2003, ”TCSS Ignition system”, Toyota Motor Sales, U.S.A., 1 - 16[3] Arismunandar, Wiratno, 2002, ”Penggerak mula: Motor bakar Torak”, edisi ke-5. Institut

Teknologi Bandung. Bandung.[4] Kosik, R. B, 2000, “Digital Ignition & Electronik Fuel Injection” Department of Computer

Science and Electrical Engineering The Dean School of Engineering The University of QueenslandSt Lucia, 4072.Australia., 19 - 25

[5] Jurgen R. K, 1995, ”Automotive Electronics Handbook ”, McGraw-Hill Inc. New York.[6] Mircea dan Dumitru, 2007, ”The Study Of The Ignition To The Automotive Spice Simulation”,

Interdisciplinarity In Engineering Scientific International Conference, TG. MURES-Romania.,2 - 5

[7] Sutantra, I. N, 2002, ”Teknologi Otomotif Teori dan Aplikasinya”, Guna Widya Surabaya.[8] Sampurno B dkk 2007, ”Rancang Bangun Sistem Distributorless Digital Multi Purpose”

Laporan hasil penelitian DIPA ITS Surabaya.