SISTEM PENGAPIAN KONVENSIONAL

BAB I

SISTEM PENGAPIAN

1.1  URAIAN

Pembakaran campuran bahan bakar udara yang dikompresikan terjadi di dalam silinder. Daya diperoleh dari pemuaian gas pembakaran tersebut. Sistem pengapian merupakan sumber bunga api yang menyebabkan ledakan campuran bahan bakar udara tersebut. Tujuan penggunaan ssstem pengapian pada kendaraan adalah menyediakan percikan bunga api bertegangan tinggi pada busi untuk membakar campuran udara/bahan bakar di dalam ruang bakar engine.

Gambar.  sistem pengapian konvensional

Syarat-Syarat Sistem Pengapian

Ketiga elemen berikut sangat penting untuk operasi engine yang efektif :

1.      Tekanan kompresi yang tinggi.

2.      Saat pengapian yang tepat dan bunga api yang kuat.

3.      Campuran bahan bakar dengan udara yang baik.

1.2.  IGNITION COIL

PRINSIP PEMBANGKITAN TEGANGAN TINGGI

1      SELF INDUCTION EFFECT

Medan magnet akan dibangkitkan pada saat arus mengalir melalui kumparan. Akibatnya, EMF (electromotive force) dibangkitkan dan menghasilkan garis gaya magnet (magnet flux) dengan arah yang berlawanan dengan pembentukan garis-garis gaya magnet dalam kumparan (coil). Oleh karena itu arus tidak akan mengalir seketika pada saat dialirkan ke kumparan tetapi membutuhkan waktu untuk menaikkan arus tersebut.

Bila arus mengalir dalam sebuah kumparan dan kemudian arus diputuskan tiba-tiba, maka EMF akan dibangkitkan dalam kumparan dengan arah dimana arus cenderung mengalir (arah yang merintangi hilangnya garis gaya magnet). Dengan cara ini, bila arus mengalir ke kumparan, atau bila arus diputuskan, maka kumparan membangkitkan EMF yang bekerja melawan perubahan garis gaya magnet pada kumparan. Inilah yang disebut “self induction effect”.

2        MUTUAL INDUCTION EFFECT

Apabila dua kumparan disusun dalam satu garis dan besarnya arus yang mengalir pada satu kumparan (kumparan primer) diubah, maka EMF akan bangkit pada kumparan lainnya (kumparan sekunder) dengan arah melawan perubahan garis gaya magnet pada kumparan primer. Ini disebut “mutual induction effect”.

Bila arus tetap mengalir pada kumparan primer, maka tidak akan terjadi perubahan garis gaya magnet, dengan demikian tidak ada EMF yang bangkit pada kumparan sekunder. Pada saat switch diputuskan, aliran arus pada kumparan primer juga diputuskan, garis gaya magnet yang telah terbentuk sampai saat itu tiba-tiba menghilang sehingga pada kumparan sekunder bangkitlah EMF dengan arah melawan kehilangan fluksi magnet. Sebaliknya apabila switch dihubungkan kembali, maka pada kumparan sekunder akan dibangkitkan EMF dengan arah yang berlawanan dengan pembentukan garis gaya magnet pada kumparan primer. Ignition coil membangkitkan aliran yang bertegangan tinggi secara mutual induction yang terjadi pada saat arus primer tiba-tiba diputuskan dengan membuka breaker point.

Besarnya arus juga berubah pada saat titik kontak tertutup, tetapi karena arus tidak segera mengalir dalam kumparan karena adanya self inductance, maka perubahan banyaknya garis gaya magnet terjadi secara bertahap dan tegangan yang terinduksi pada kumparan sekunder tidak mencapain discharge voltage.

Besarnya EMF ditentukan oleh tiga faktor berikut :

1      Banyaknya garis gaya magnet

Semakin banyak garis gaya magnet yang terbentuk dalam kumparan,  maka semakin besar tegangan yang diinduksikan.

2      Banyaknya gulungan kumparan

Semakin banyak lilitan pada kumparan, maka semakin tinggi tegangan yang diinduksikan.

3      Tingkat di mana garis gaya magnet berubah.

Semakin cepat perubahan banyaknya garis gaya magnet yang dibentuk pada kumparan, semakin tinggi tegangan yang diinduksikan.

BAB II

CARA KERJA SISTEM PENGAPIAN

2.1  IGNITION COIL TANPA RESISTOR

Gambar. Konstruksi Coil Pengapian yang umum

Coil pengapian terdiri dari rumah logam yang meliputi lembar pelapis logam untuk mengurangi kebocoran medan magnet. Lilitan sekunder, yang mempunyai lilitan lebih kurang 20.000 lilitan kawat tembaga halus dililitkan secara langsung ke inti besi yang dilaminasi dan disambungkan ke terminal tegangan tinggi yang terdapat pada bagian tutup coil. Karena tegangan tinggi diberikan pada inti besi, inti harus diisolasi oleh tutup dan insolator tambahan diberikan di bagian dasar. Lilitan primer terdiri dari 200-500 lilitan kawat tembaga yang relative tebal, di tempatkan dekat dengan bagian luar sekelililng lilitan sekunder. Panjang dan lebar kawat akan menyebabkan resistansi lilitan primer berubah tergantung pada penggunaannya.

Coil pengapian adalah transformator peningkat tegangan. Coil menghasilkan pulsa-pulsa tegangan tinggi yang dikirimkan ke busi-busi untuk menyulut campuran bahan bakar/udara di tabung engine. Lilitan primer coil menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Pada waktu yang ditentukan kontak point terbuka, arus primer berhenti mengalir dan medan magnet kolap memotong coil sekunder menghasilkan tegangan tinggi ke dalamnya. Tegangan sekunder menyalakan busi.

a      BREAKER POINT TERTUTUP

Arus dari baterai mengalir melalui terminal positif kumparan primer, terminal negative dan breaker point selanjutnya ke massa.

Gambar. Breaker point tertutup

Akibatnya garis-garis gaya magnet akan terbentuk di sekeliling kumparan.

Gambar. kumparan primer pada pengapian

Rangkaian primer merupakan jalur untuk arus tegangan rendah dari baterai dan terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut:

- saklar pengapian lilitan

- lilitan primer coil

- kontak point distributor

- kondensor

b      BREAKER POINT TERBUKA

Bila poros engkol memutarkan cam shaft sehingga distributor cam membuka breaker point, menyebabkan arus yang mengalir melalui kumparan primer tiba-tiba terputus. Sebagai akibatnya garis-garis gaya magnet yang telah terbentuk pada kumparan primer mulai berkurang. Karena selt induction pada kumparan primer dan mutual induction pada kumparan sekunder mencegah pengurangan garis gaya magnet yang ada.

Self induction EMF mencapai sekitar 500 V, sedangkan mutual induction EMF mencapai 30 kV dan mampu membentuk loncatan bunga api pada busi. Perubahan garis gaya magnet meningkat apabila pemutusan arus semakin singkat, dan mengakibatkan bangkitnya tegangan yang sangat tinggi per satuan waktu.

Rangkaian sekunder merupakan jalur untuk arus tegangan tinggi yang ditingkatkan oleh coil dan terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut:

- lilitan sekunder coil

- lengan rotor distributor

- tutup distributor

- busi-busi

c       BREAKER POINT TERTUTUP KEMBALI

Bila breaker point mulai tertutup kembali, maka arus mulai mengalir pada kumparan primer, dan magnetic flux pada kumparan primer mulai bertambah karena terjadi self induction pada kumparan primer maka counter EMF akan mencegah penambahan aliran arus secara tiba-tiba dalam kumparan primer. Akibatnya, arus tidak bertambah dengan tiba-tiba dan hanya mutual induction EMF yang dapat diabaikan terjadi pada kumparan sekunder.

2.2 IGNITION COIL DENGAN RESISTOR

a      KONSTRUKSI IGNITION COIL DENGAN RESISTOR

Ignition coil dengan resistor mempunyai resistor yang dihubungkan seri terhadap kumparan primer. Bila dibandingkan dengan ignition coil tanpa resistor, ignition coil dengan resistor ini mempunyai kelebihan bahwa penurunan tegangan sekunder pada kecepatan tinggi dapat dikurangi.

Ignition coil tipe ini dibedakan menjadi dua, yaitu :

1      1. Eksternal resistor                     2.   Integrated resistor

b      FUNGSI COIL DENGAN RESISTOR

Bila arus mulai mengalir melalui coil maka arus yang mengalir ini cenderung terhalang oleh efek self induction. Oleh karena itu, pada saat aliran arus mulai mengalir pada kumparan primer ignition coil, arus primer naik secara bertahap. Aliran arus semakin lambat bila banyaknya gulungan dalam kumparan bertambah. Keuntungan lain dari penggunaan ignition coil dengan resistor ialah mempermudah start mesin, karena arus yang mengalir ke motor starter pada saat engine start cukup besar, maka tegangan baterai akan menurun, mengurangi arus primer pada ignition coil. Akibatnya, tegangan sekunder menurun dan loncatan bunga api menjadi lemah.

2.3  DISTRIBUTOR

Gambar 6. Distributor sistem pengapian

Distributor terdiri dari komponen-komponen sebagai berikut :

1.  Breaker Section                            

a.  Breaker points

b.  Damper spring

2.  Distributor section

a.   Distributor cap

b.   Rotor

3.  Ignition advancer

a.   Governor advancer

b.   Vacum advancer

c.   Octane selector

4.  Condenser (Capasitor)

a      BREAKER SECTION

1      CARA KERJA BREAKER POINT

Gambar 6. Breaker point

Breaker point membuka dan menutup oleh cam yang dipasang pada poros governor. Poros governor digerakkan oleh cam shaft dengan kecepatan setengah dari kecepatan engine. Cam mempunyai cam lobe yang jumlahnya sama dengan jumlah silinder.

Pada saat cam berputar, masing-masing cam lobe mendorong breaker arm dan selanjutnya membuka breaker point. Apabila cam terus berputar lebih jauh, maka breaker point akan kembali tertutup karena breaker arm dikembalikan posisinya oleh breaker arm return spring. Bila cam berputar satu putaran penuh, maka arus yang mengalir pada kumparan primer ignition coil akan terputus berkali-kali sama dengan banyaknya silinder mesin dan selanjutnya akan dihasilkan tegangan tinggi pada gulungan sekunder ignition coil.

2      PERSYARATAN BREAKER POINT

Permukaan kontak breaker point dapat terbakar oleh loncatan bunga api tegangan tinggi yang dihasilkan oleh EMF akibat adanya selt induction pada kumparan primer dan menimbulkan oksidasi. Oleh krena itu, breaker point harus diperiksa secara berkala dan diganti bila terjadi oksidasi yang berlebihan.

Hal-hal yang harus diperhatikan pada breaker point, yaitu :

1      Tahanan kontak breaker point

2      Celah rubbing block

3      Dwell angle.

1      Tahanan Kontak Breaker Point

Oksidasi yang terjadi pada permukaan yang bersentuhan pada breaker point akan semakin bertambah dan semakin buruk sebanding dengan berapa kali breaker point terhubung dan terputus. Bertambahnya lapisan oksidasi pada breaker point semakin kasar permukaan point-nya dan memperbesar tekanannya, sehingga aliran arus pada kumparan primer ignition coil menjadi berkurang.

Faktor-faktor yang mempengaruhi tahanan kontak breaker point semakin bertambah, yaitu :

Ø  Oli atau gemuk menempel pada permukaan kontak.

Bila bahan ini melekat pada breaker point, maka breaker point akan hangus oleh adanya busur api.

Ø  Titik kontak tidak lurus

Titik kontak yang tidak lurus akan memperkecil permukaan persinggungan titik kontak, sehingga mempercepat oksidasi dan keausan pada permukaan titik kontak.

2      Rubbing block gap

            Rubbing block gap adalah celah maksimum antara breaker arm rubbing block dengan cam pada saat titik kontak tertutup

Gambar. Rubbing block gap

3      Dwell angle

            Dwell angle adalah sudut putaran poros distributor (cam) mulai breaker point tertutup oleh breaker arm spring sampai terbuka oleh cam lobe berikutnya. Bila jarak titik kontak untuk mesin dengan 4 silinder telah disetel dengan tepat sesuai standarnya, titik kontak akan tertutup selama 52^o ± 6^o putaran cam.

Selanjutnya titik kontak akan terus terbuka selama 38^o ± 6^o putaran cam berikutnya.

Jumlah sudut pembukaan dan penutupan ini adalah 90^o (52^o ± 38^o) berarti breaker pont terbuka dan tertutup setiap ¼ putaran cam.

Dwell angle :

            Engine 4 silinder : 52^o

            Engine 6 silinder : 41^o

Dwell angle berhubungan dengan celah titik kontak dan saat pembukaan titik kontak (ignition timing) dan ini sangat penting dalam men-tune up  mesin untuk memperoleh kemampuan mesin yang terbaik.

1    Celah Titik Kontak Terlalu Lebar.

Bila celah titik kontak terlalu besar, maka waktu menutupnya titik kontak akan menjadi terlalu    singkat. Akibatnya dwell angle akan menjadi terlalu kecil.

2      Bila Titik Kontak Terlalu Kecil

Bila celah titik kontak terlalu kecil, maka waktu menutupnya menjadi lama. Akibatnya dwell angle akan terlalu besar.

Dwell angle yang terlalu besar atau kecil tidak hanya menyebabkan timing pengapian yang tidak tepat, tetapi juga beberapa problem seperti di bawah ini.

1      Dwell Angle Terlalu Kecil

Sebab waktu titik kontak menutupnya singkat, maka waktu arus mengalir melalui kumparan primer ignition coil menjadi berkurang. Selama kecepatan engine rendah, arus primer masih cukup untuk membangkitkan bunga api pada busi. Akan tetapi pada saat kecepatan tinggi, arus primer tidak cukup sehingga tegangan induksi pada kumparan sekunder turun dan mengakibatkan penyalaan yang tidak baik (misfiring).

2      Dwell Angle Terlalu Besar

Bila celah titik kontak kecil, busur (arcing) cenderung terjadi pada saat titik kontak terbuka. Selama adanya busur ini arus akan tetap mengalir, berarti tidak ada pemutusan arus secara tiba-tiba maka pembangkitan tegangan sekunder yang tinggi tidak dapat terjadi.

Gambar.  Dwell angle

       DAMPER SPRING

Pada beberapa jenis distributor, damper spring dipasang pada sisi yang berlawanan dengan breaker point dan berfungsi untuk mencegah putaran cam yang tidak rata dan suara governor weight bila kecepatan engine rendah. Pada saat rubbing block bersentuhan dengan cam lobe, maka putaran cam cenderung tertahan oleh gesekan dengan naiknya rubbing block.

Setelah rubbing block melewati cam lobe menuju bagian cam yang rata, maka akan terdorong oleh return spring sehingga putaran cam akan cenderung dipercepat. Damper spring menyentuh cam lobe untuk mencegah bertambahnya putaran cam dan bergetarnya governor weight.

      

KONDENSOR (KAPASITOR)

Pada umumnya dan kondensor dipasangkan pada bagian rumah distributor  dan dihubungkan dengan breaker point. Tegangan yang diinduksikan pada kumparan sekunder naik bila pemutusan arus primer lebih cepat. Pemutusan arus primer yang tiba-tiba ini menyebabkan bangkitnya tegangan tinggi sekitar 500 V pada kumparan primer karena self induction sehingga pada saat breaker point terbuka, arus tetap mengalir dalam bentuk bunga api listrik pada celah titik kontak dan pemutusan arus primer tidak terjadi seketika. Untuk membatasi terjadinya busur (arcing) pada titik kontak, self induction EMF pada kumparan primer yang terjadi pada saat titik kontak membuka, disimpan sementara pada kondensor untuk mempercepat pemutusan arus primer.

Gambar. Kondensor (kapasitor)

5      IGNITION ADVANCER

Setelah campuran udara dan bahan bakar dibakar oleh bunga api, maka diperlukan waktu tertentu bagi api untuk merambat di dalam ruang bakar. Agar diperoleh output maksimum pada engine dengan tekanan pembakaran mncapai titik tertinggi sekitar 10^o setelah TMA, periode perambatan api harus diperhitungkan pada saat menentukan saat pengapian (ignition timing).

Yang dimaksud dengan saat pengapian pendahuluan adalah saat pengapian selama mesin berputar idling, dengan mekanisme ignition advancer dalam keadaan tidak bekerja. Sudut poros engkol yang terjadi pada saat ini disebut “basic crankshaft angle” yaitu waktu pada tahap tertentu dimana pada silinder no.1 terjadi pengapian diakhir langkah kompresi.

a       Governor advancer

Governor advancer mengatur pemajuan pengapian berdasarkan kecepatan putaran mesin. Tanpa dipengaruhi oleh kecepatan mesin, maka perambatan api hampir selalu konstan, sudut poros engkol selama periode perambatan api akan bertambah bila kecepatan mesin bertambah. Oleh karena itu, maka governor memajukan saat pengapian bila kecepatan mesin naik sehingga tekanan pembakaran maksimum akan tetap berada pada 10^o setelah TMA.

Gambar. Governer advancer

b      Vacuum advancer

Gambar. Vakum advancer

Vacuum ignition advancer pada sistem pengapian berfungsi untuk memajukan saat pengapian berdasarkan kevakuman yang brubah-ubah dalam intake manifold sesuai dengan perubahan beban mesin. Bila beban mesin ringan, maka pembukaan throttle valve juga kecil dan vakum di dalam intake manifold bertambah. Vakum yang kuat pada intake manifold menurunkan efisiensi pengisapan campuran udara dan bahan bakar yang terhisap ke dalam silinder yang mengakibatkan penurunan kecepatan perambatan api setelah pengapian.

Bila beban mesin dinaikkan, maka vakum pada intake manifold menjadi turun, efisiensi penghisapan campuran bahan bakar dan udara bertambah dan menambah kecepatan perambatan api setelah pengapian. Vakum advancer akan memajukan saat pengapian bila beban ringan untuk menjamin bahwa tekanan pembakaran maksimum selalu tercapai pada 10^o setelah TMA.

            Fungsi vakum advancer ada 2, yaitu :

a.       Throttle valve tertutup selama mesin idling, advance port yang ditempatkan di atas throttle valve berada pada tekanan atmosfer dan tidak terjadi pemajuan pengapian.

b.      Bila throttle valve terbuka sedikit akan terjadi kevakuman pada advance port. Kevakuman ini bekerja pada diaphragma yang menarik advance rod. Akibatnya breaker plate akan berputar pada arah yang berlawanan dengan putaran cam sehingga saat pengapian akan maju oleh sudut putaran breaker plate.

Gambar. Vacuum advancer ketika sebelum dan saat bekerja

c.       Octane selector.

Untuk memperoleh  daya maksimal dari pembakaran, saat pengapian harus disetel sesuai dengan angka oktan bensin. Bila menggunakan bensin dengan angka oktan rendah, maka titik bakar bensin lebih rendah dari bensin normal, jadi waktu loncatan bunga api ke pembakaran menjadi pendek dan perambatan apinya tinggi sehingga timing pengapiannya harus dimundurkan dan bila menggunakan bensin dengan angka oktan yang tinggi maka timing pengapian harus dimajukan.

 Octane selector dapat melakukan penyetelan saat pengapian yang terbaik dengan merubah karakteristik vacuum advancer sesuai dengan nilai oktan bensin.

       DISTRIBUTOR SECTION

                  Arus tegangan tinggi yang dibangkitkan pada kumparan sekunder ignition coil mengalir dari terminal sekunder ignition coil ke elektroda pusat pada tutup distributor melalui kabel tegangan tinggi. Karena distributor mengolah arus tegangan tinggi maka harus diberikan isolasi yang berkemampuan tinggi dan juga memiliki pengantar yang baik.

1.      Tutup distributor

Gambar. Tutup distributor

Tutup distributor dibuat dari injection molded epoxy resin yang memiliki daya tahan panas yang tinggi dengan kemampuan isolasi yang kuat. Pada tutup distributor terdapat carbon center contact piece yang berhubungan dengan elektroda pusat yang terbuat dari aluminium melalui pegas untuk membagi-bagikan tegangan tinggi. Fungsinya yaitu untuk membagikan arus listrik tegangan tinggi dari rotor ke kabel tegangan tinggi untuk masing- masing silinder.

2      Rotor

Pada distributor, ujung elektroda rotornya dilapisi dengan lapisan tahanan listrik untuk mengurangi suara pengapian dan mengurangi gangguan radio. Rotor berfungsi embagikan arus listrik tegangan tinggi yang di hasilkan oleh ignation coil ke tiap-tiap busi.

7      KABEL TEGANGAN TINGGI

Mengalirkan arus listrik tegangan tinggi dari ignation coil ke busi melalui distributor tanpa ada kebocoran. Kabel tegangan tinggi mempunyai bagian sebagai berikut:

1. Penghantar (conduktor) → Bahannya terbuat dari carbon dan fiberglass.

2. Insulator → Insulator ini terbuat dari stnthetic rubber yang membalut conduktor setebal 1, 2 mm.

3. Pembungkus (cover) → Untuk memperkuat insulator kabel dilapisi dengan synthetic rubber setebal 0,5 mm

Gambar. Kabel tegangan tinggi

2.4  BUSI

Mengeluarkan arus listrik tegangan tinggi menajdi loncatan bunga api melalui elektroda.

Gambar. busi

Cara Kerja Busi:

Mesin pembakaran internal dapat dibagi menjadi mesin dengan percikan, yang memerlukan busi untuk memercikkan campuran antara bensin dan udara, dan mesin kompresi (mesin Diesel), yang tanpa percikan, mengkompresi campuran bensin dan udara sampai terjadi percikan dengan sendirinya (jadi tidak memerlukan busi).

Busi tersambung ke tegangan yang besarnya ribuan volt yang dihasilkan oleh koil pengapian (ignition coil). Tegangan listrik dari koil pengapian menghasilkan beda tegangan antara elektroda di bagian tengah busi dengan yang di bagian samping. Arus tidak dapat mengalir karena bensin dan udara yang ada di celah merupakan isolator, namun semakin besar beda tegangan, struktur gas di antara kedua elektroda tersebut berubah. Pada saat tegangan melebihi kekuatan dielektrik daripada gas yang ada, gas-gas tersebut mengalami proses ionisasi dan yang tadinya bersifat insulator, berubah menjadi konduktor. Setelah ini terjadi, arus elektron dapat mengalir, dan dengan mengalirnya elektron, suhu di celah percikan busi naik drastis, sampai 60.000 K. Suhu yang sangat tinggi ini membuat gas yang terionisasi untuk memuai dengan cepat, seperti ledakan kecil. Inilah percikan busi, yang pada prinsipnya mirip dengan halilintar atau petir mini.