SISTEM PENGAPIAN (IGNITION SYSTEM)
9.1. Pendahuluan
Sistem pengapian merupakan sistem yang berfungsi untuk
menghasilkan percikan bunga api pada busi yang kuat dan tepat untuk memulai
pembakaran campuran udara bahan bakar di ruang bakar pada motor bensin. Percikan
api yang terjadi pada busi harus terjadi pada saat yang tepat (pada akhir
langkah kompresi) untuk menjamin pembakaran yang sempurna sehingga mesin
bekerja dengan halus dan ekonomis. Secara umum komponen sistem pengapian
terdiri dari baterai, kunci kontak, koil, distributor, kabel tegangan tinggi
dan busi. Di dalam distributor terdapat beberapa komponen pendukung lainnya
yaitu kontak pemutus (atau pulse generator pada sistem pengapian elektronik),
kondensor, cam, vakum dan sentrifugal advancer.
Fungsi dari masing-masing komponen system pengapian adalah
1) Baterai sebagai sumber arus,
2) Kunci kontak untuk menghidupkan dan mematikan sistem
pengapian,
3) Koil untuk menaikan tegangan baterai menjadi tegangan
tinggi di atas 10000 volt.Tegangan tinggi pada kumparan sekunder terjadi
karena jumlah kumparan sekunder jauh lebih banyak dari kumparan primer,
4) Distributor berfungsi untuk mendistribukan tegangan tinggi
dari koil ke tiap busi sesuai dengan urutan penyalaannya,
5) Kabel tegangan tinggi berfungsi untuk menghantarkan
tegangan tinggi dari koil sampai ke busi,
6) Busi berfungsi untuk meloncatkan bunga api.
Beberapa syarat dari sistem pengapian adalah
1) Sistem pengapian harus mempunyai suatu sumber energi,
2) Sistem pengapian harus mampu mensuplai arus yang cukup (ke
koil) untuk menghasilkan medan magnet yang kuat untuk mendapatkan energi yang
tinggi sehingga dapat menghasilkan bunga api untuk membakar campuran udara
bahan bakar di dalam ruang bakar,
3) Sistem pengapian harus menghasilkan tegangan puncak yang
lebih tinggi dari pada syarat batas tegangan busi pada semua tingkat kecepatan,
4) Durasi loncatan api harus cukup lama dengan energi yang
cukup untuk menjamin terjadinya penyalaan campuran udara dan bahan bakar,
5) Sistem pengapian harus mendistribusikan tegangan tinggi ke
tiap busi pada saat yang tepat dalam tiap siklus,
6) Sistem pengapian harus mempunyai ketahanan yang cukup untuk
menahan getaran dan panas yang dihasilkan oleh mesin.
9.1.1. Prinsip Dasar Sistem Pengapian
Pembangkitan tegangan tinggi pada sistem pengapian terjadi
di koil. Apabila kontak pemutus (breaker point) dalam keadaan tertutup (gambar 9.2 kiri), maka arus dari
baterai akan mengalir ke kumparan primer, ke kontak pemutus, kemudian ke massa.
Aliran arus pada kumparan ini akan menyebabkan terjadinya medan magnet di
sekeliling kumparan. Pada keadaan ini, energi listrik yang mengalir diubah
menjadi energi dalam bentuk medan magnet. Apabila secara tiba-tiba kontak
pemutus terbuka (gambar 9.2 kanan), maka dengan cepat arus pada kumparan primer
terputus. Terputusnya aliran arus ini menyebabkan medan magnet di sekitar
kumparan hilang dengan cepat. Perubahan garis gaya magnet dengan cepat di
sekitar kumparan menyebabkan terjadinya tegangan pada kumparan tersebut. Jadi,
energi dalam bentuk medan magnet tersebut dikembalikan ke kumparan dalam bentuk
energi listrik. Pada kedua kumparan akan terjadi tegangan induksi. Pada
kumparan primer disebut dengan induksi diri (self induction) dan pada kumparan sekunder disebut induksi mutual (mutual induction). Apabila pada ujung kumparan sekunder terdapat celah di
antara elektroda positif dan negatif akan terjadi loncatan bunga api.
Pembakaran pada motor bensin diawali dengan pecikan bungan
api pada busi (titik 1) sekitar 100 menjelang titik mati atas (TMA)
pada akhir langkah kompresi (lihat gambar 9.3). Pembakaran dimulai pada titik 2
dengan mulai terjadinya perambatan api dan pembakaran maksimum terjadi di
sekitar 100 setelah TMA. Proses pembakaran di dalam ruang bakar
membutuhkan waktu yang relatif konstan baik pada putaran lambat maupun tinggi.
Dari mulai dipercikan api (titik 1) sampai terjadi pembakaran dengan tekanan
maksimum (titik 3) membutuhkan waktu sekitar 0,003 detik. Pada putaran tinggi,
diperlukan waktu yang sama untuk pembakaran yaitu 0,003 detik. Karena pada
putaran tinggi poros engkol berputar lebih cepat, maka untuk memenuhi waktu
0,003 detik saat pengapian harus dimajukan untuk memenuhi waktu pembakaran sehingga
tekanan maksimum pembakaran tetap berada sekitar 100 setelah titik
mati atas baik pada putaran rendah maupun tinggi. Pemajuan saat pengapian
ini dilaksanakan oleh sentrifugal advance dan vakum advance (pada sistem
pengapian konvensional). Secara khusus ini akan dibahas pada bagian lain dalam
bab ini.
Selang waktu di antara busi memercikan api (titik 1) dan
dimulainya
pembakaran (titik 2) disebut dengan kelambatan pengapian (ignition delay). Apabila ignition delay pada motor bensin terlalu singkat (karena nilai oktan
bahan bakar terlalu rendah), maka akan mengakibatkan terjadinya knocking atau ketukan. Hal ini terjadi karena kecepatan atau laju
pembakaran tidak sesuai dengan gerakan piston.
9.1.2. Komponen dan Fungsi Komponen Sistem Pengapian
Sistem pengapian berfungsi untuk menghasilkan percikan api
yang kuat dan tepat untuk membakar campuran udara dan bahan bakar di dalam
ruang bakar. Secara umum komponen sistem pengapian terdiri dari baterai, kunci
kontak, koil, distributor, kabel tegangan tinggi dan busi. Di dalam distributor
terdapat beberapa komponen pendukung lainnya yaitu kontak pemutus (atau pulse
generator pada sistem pengapian elektronik), kondensor, cam, vakum dan sentrifugal advancer.
9.1.3. Baterai
Baterai pada sistem pengapian berfungsi sebagai sumber arus
untuk rangkaian primer koil sehingga dapat terbentuk medan magnet. Setelah
mesin hidup, kebutuhan arus listrik pada sistem pengapian disuplai oleh sistem pengisian. Secara khusus
penjelasan tentang baterai dibahas pada bab 5.
9.1.4. Kunci kontak
Kunci kontak pada sistem pengapian berfungsi untuk memutus
atau menghubungkan arus dari baterai ke sistem pengapian. Dengan fungsi
tersebut, kunci kontak juga berfungsi untuk mematikan mesin, karena dengan
tidak aktifnya sistem pengapian maka mesin tidak akan hidup karena tidak ada
yang memulai pembakaran pada ruang bakar (motor bensin).
9.1.5. Koil pengapian
Koil pengapian berfungsi untuk menaikan tegangan baterai 12
V menjadi tegangan tinggi lebih dari 10.000 V. Untuk sistem pengapian yang
modern, tegangan tinggi yang dihasilkan bisa mencapai 30.000 sampai 40.000
V. Di dalam koil terdapat dua buah kumparan (lihat gambar 9.7), yaitu kumparan
primer dan kumparan sekunder. Kumparan primer koil menghubungkan terminal
positif dan terminal negatif koil. Kumparan sekunder menghubungkan terminal
positif dengan terminal sekunder atau terminal tegangan tinggi. Jumlah kumparan
primer sekitar 100 sampai 200 lilit dengan diameter kawat 0,5 sampai 1 mm dan
jumlah kumparan sekunder sekitar 15000 sampai 30.000 lilit dengan diameter
kawat 0,05 sampai 0,1 mm. Koil dapat menaikan tegangan baterai menjadi tegangan
tinggi karena jumlah lilitan pada kumparan sekunder koil jauh lebih banyak
dibandingkan dengan jumlah kumparan primernya.
Koil pengapian biasanya dilengkapi dengan resistor yang
dihubungkan seri dengan kumparan primer koil. Ada dua macam koil yang
dilengkapi dengan resistor, yaitu koil dengan resistor yang terpasang di luar (external resistor) dan koil dengan resistor di dalam (internal resistor). Koil dengan resistor di luar mempunyai tiga terminal,
yaitu terminal positif, terminal negatif, dan terminal tegangan tinggi
(terminal sekunder). Koil dengan resistor di dalam mempunyai empat terminal,
yaitu terminal B, terminal positif, terminal negatif dan terminal tegangan
tinggi.
Besarnya resistansi pada rangkaian primer koil adalah 3
ohm, terdiri dari 1,5 ohm nilai resistansi resistor luar dan 1,5 ohm dari
kumparan primernya. Jika tegangan baterai 12 V, maka arus maksimum yang dapat
mengalir ke kumparan primer koil adalah I = V/R = 12/3 = 4 A. Jika tidak
dipasang resistor pada koil, maka jumlah kumparan primer koil harus lebih
banyak untuk memenuhi tahanan 3 ohm. Jumlah kumparan yang banyak akan
menyebabkan tegangan induksi diri yang lebih tinggi atau dapat menyebabkan
terjadinya gaya lawan elektromotif yang lebih besar yang arahnya melawan aliran
arus dari baterai ke koil sehingga dapat menyebabkan pencapaian arus maksimum
pada koil makin lambat.
Berdasarkan gambar di atas, jika kumparan primer koil tidak
dilengkapi dengan resistor, maka jumlah lilitannya harus lebih banyak untuk
mendapatkan nilai resistansi yang sama dengan yang menggunakan resistor. Pada
grafik di sebelahnya, jika kumparan lebih banyak maka arus primer maksimum akan
dicapai pada saat t2 (lebiih lama). Hal ini disebabkan adanya efek
lawan (electromotif force) akibat induksi diri.
Saat arus mengalir dari baterai ke kumparan. Jika kumparan
dilengkapi dengan resistor, maka efek gaya lawan yang dihasilkan kumparan lebih
kecil sehingga arus primer maksimum dapat dicapai dengan waktu t1
yang lebih singkat dibanding t2. Dengan menggunakan resistor, pada
kecepatan tinggi arus primer maksimum cenderung dapat tercapai lebih cepat
sehingga bunga api yang dihasilkan akan lebih kuat dibanding dengan tanpa
resistor.
9.I.2.3. Distributor
Distributor pada sistem pengapian berfungsi untuk
mendistribusikan atau membagi-bagikan tegangan tinggi yang dihasilkan oleh koil
ke tiap-tiap busi sesuai dengan urutan penyalaan (firing order). Pada distributor dengan sistem pengapian model
konvensional, terdapat beberapa komponen lain misalnya kontak pemutus
(platina), cam, vakum advancer, sentrifugal adancer, rotor, dan kondensor. Pada
distributor dengan sistem pengapian elektronik, di dalam distributor tidak ada
lagi kontak pemutus. Sebagai penggantinya adalah komponen penghasil pulsa (pulse generator) yang terdiri dari rotor, pick up coil, dan magnet permanen untuk pengapian sistem induktif. Pada
sistem pengapian dengan pembangkit pulsa model Hall effect, terdapat bilah rotor, magnet, dan IC Hall. Pada sistem
pengapian dengan pembangkit pulsa model cahaya terdapat lampu infra merah,
sensor cahaya (pototransistor), dan bilah rotor. Secara khusus model-model
tersebut dibahas pada sistem pengapian elektronik.
Distributor terdiri dari beberapa bagian utama berkaitan
dengan kerja sistem yang ada pada distributor tersebut. Bagian-bagian tersebut
meliputi 1) bagian pemutus arus primer koil yaitu kontak pemutus (breaker point) pada sistem pengapian konvensional atau pembangkit pulsa
dan transistor di dalam igniter pada sistem pengapian elektronik, 2) bagian
pendistribusian tegangan tinggi yaitu rotor dan tutup distributor, 3) bagian
pemajuan saat pengapian (ignition timing advancer), dan 4) bagian kondensor. Gambar 9.9 memperlihatkan
berbagai bentuk distributor yang digunakan pada kendaraan.
1. Bagian pemutus arus
Bagian pemutus arus berfungsi memutus dan mengalirkan arus
yang melewati kumparan primer koil sehingga pada koil akan muncul dan hilang
medan magnet dengan cepat untuk memicu tegangan induksi pada kumparan sekunder
koil. Pada sistem pengapian konvensional, mekanisme pemutus arus terdiri dari
dua komponen utama, yaitu kontak pemutus dan cam yang berfungsi untuk mendorong
kontak pemutus agar terbuka. Saat kontak pemutus terbuka, arus primer koil
terputus.
Gambar 9.10. Pemutus arus primer koil di dalam distributor
Cam pada distributor digerakan oleh poros cam (cam shaft). Gerakan putar cam pada mekanisme pemutus arus primer koil
akan menyebabkan tumit kontak pemutus terdorong atau terangkat sehingga kontak
pemutus membuka. Kontak pemutus ini bekerja seperti saklar. Saat tertutup
berarti terjadi kontak dan arus dapat mengalir. Saat terbuka berarti tidak
terjadi kontak sehingga arus tidak mengalir. Tertutupnya kontak pemutus
dilakukan oleh pegas yang terdapat pada kontak pemutus tersebut. Sudut yang
terbentuk saat cam mendorong tumit kontak pemutus (kontak pemutus terbuka)
disebut sudut cam (cam angle) dan sudut yang terbentuk
Gambar 9.11. Kontak pemutus dan pembangkit sinyal induktif
Mekanisme pemutus arus primer koil pada sistem pengapian
elektronik terdiri dua bagian utama, yaitu bagian pembangkit sinyal dan bagian driver yang bekerja memutuskan arus primer koil. Driver yang
dipakai adalah transistor yang difungsikan sebagai saklar untuk memutus dan
mengalirkan arus ke kumparan primer koil. Sistem pembangkit sinyal ada beberapa
macam, yaitu model induktif (kumparan dan magnet), model iluminasi (cahaya),
dan model Hall effect. Pembangkit sinyal berfungsi untuk menghasilkan sinyal
tegangan yang digunakan untuk memicu kerja transistor sehingga dapat bekerja ON
dan OFF secara terus menerus selama mesin hidup. Secara rinci penjelasan sistem
pengapian elektronik akan diuraikan dalam sub bab khusus pada bab ini.
Saat cam tidak mendorong tumit (saat kontak pemutus
tertutup) disebut sudut dwell. Sudut dwell ini sering disebut juga sudut lamanya kontak
pemutus tertutup atau sudut lamanya arus pada kumparan primer koil mengalir.
Gambar 9.12. Kontak pemutus
2.
Bagian pendistribusian
Bagian pendistribusian berfungsi untuk menyalurkan tegangan
tinggi dari koil ke tiap-tiap busi sesuai dengan urutannya. Bagian ini terdiri
dari tutup distributor dan rotor.
Tutup distributor terdiri dari beberapa bagian, yaitu :
1) terminal tengah tutup distributor yang berfungsi untuk
dudukan kabel tegangan tinggi dari koil dan menyalurkan tegangan tinggi dari
kabel koil ke rotor,
2) batang karbon berfungsi untuk menyalurkan tegangan tinggi
dari terminal tengah ke rotor,
3) pegas berfungsi untuk menjaga agar hubungan atau penekanan
batang karbon terhadap rotor terjaga dengan baik sehingga tegangan tinggi dapat
mengalir dengan baik
4) rotor berfungsi untuk meneruskan tegangan tinggi dari
batang karbon ke terminal kabel busi,
5) terminal kabel busi berfungsi sebagai tempat dudukan kabel
tegangan tinggi busi sehingga tegangan tinggi dari rotor dapat disalurkan ke
kabel busi.
Gambar 9.13. Rotor dan tutup distributor
3.
Bagian pemajuan saat pengapian
Bagian pemajuan saat pengapian berfungsi untuk menyesuaikan
saat pengapian akibat perubahan kecepatan putaran mesin dan beban yang bekerja
pada mesin. Seperti yang sudah dijelaskan pada bagian prinsip dasar sistem
pengapian, pembakaran memerlukan waktu yang tetap baik pada putaran lambat
maupun putaran tinggi. Supaya pada putaran tinggi waktu pembakaran tetap cukup,
maka mulainya pembakaran harus dimajukan agar pembakaran maksimum tetap terjadi
sekitar 100 setelah TMA. Mekanisme yang dapat memajukan saat
pengapian disebut dengan ignition timing advancer atau pemaju saat pengapian. Ada dua mekanisme yang dapat
memajukan saat pengapian, yaitu sentrifugal advancer dan vakum advancer.
Sentrifugal advancer mengubah saat pengapian berdasarkan
putaran mesin. Sentrifugal advancer terdiri dari sepasang pemberat atau bandul (governor weight) yang terpasang pada poros distributor yang berputar.
Pemberat ini pada satu sisinya terpasang pada poros distributor bagian bawah
dan sisi lainnya terpasang pada plat yang terhubung dengan poros distributor
bagian atas yang terdapat cam untuk mendorong kontak pemutus agar dapat membuka
dan menutup. Pemberat tersebut ditahan oleh sepasang pegas sehingga dalam
kondisi tidak bekerja pemberat tersebut menguncup atau berada pada posisi
tertarik ke dalam. Pada saat poros berputar lebih cepat, pemberat tersebut akan
terlempar keluar oleh gaya sentrifugal yang melawan tarikan pegas. Makin cepat
poros berputar, makin jauh pemberat tersebut terdorong keluar. Saat pemberat
terlempar keluar itu, pin pada penggerak mengubah posisi poros atas dan bawah.
Poros bagian atas akan melangkah lebih awal dibanding dengan posos bagian bawah
yang menyebabkan cam dapat membuka kontak pemutus lebih awal sehingga saat
pengapian maju saat putaran makin tinggi. Jadi, sentrifugal advancer memajukan
saat pengapian berdasarkan putaran mesin dengan mengubah posisi cam sehingga
dapat bergerak lebih cepat (searah putaran rotor atau poros distributor)
dibanding poros distributor yang menyebabkan kontak pemutus terbuka lebih awal.
Gambar 9.15. Vakum advancer
Vakum advancer bekerja berdasarkan perubahan tekanan
(kevakuman) di dalam intake manifold. Kerja dari bagian ini adalah mengubah
atau menggeser posisi kontak pemutus terhadap bodi distributor. Gerakan perubahan
posisi ini berlawanan dengan gerakan putar cam. Putaran dudukan kontak pemutus
yang berlawanan dengan gerakan cam, menyebabkan pembukaan kontak pemutus
menjadi lebih awal. Saat mesin hidup, pada intake manifold terjadi kevakuman. Vakum advancer mempunyai membran yang
berhubungan dengan poros atau batang advancer. Batang advancer terhubung dengan
dudukan kontak pemutus melalui sebuah pin. Jika batang
advancer bergeser, maka dudukan kontak pemutus juga akan
bergeser. Bagian membran pada vakum advancer terhubung dengan intake manifold melalui sebuah selang karet. Slang karet ini terpasang
pada lubang vakum yang terletak di atas katup gas (trottle valve). Dengan demikian, maka tidak terjadi isapan atau kevakuman
saat katup gas tertutup atau saat putaran lambat. Jika katup gas terbuka lebih
lebar, maka akan terjadi kevakuman sehingga tekanan pada ruang membran menjadi
turun yang menyebabkan membran terisap dan bergerak ke arah kanan (lihat gambar
di bawah).
Gambar 9.16. Kerja vakum advancer
Gerakan membran ke kanan ini menyebabkan batang advancer
ikut bergerak ke kanan. Pada bagian tengah batang advancer terdapat kait yang
terhubung dengan dudukan kontak pemutus sehingga dudukan kontak pemutus
bergerak (berputar) berlawanan dengan arah jarum jam atau berlawanan dengan
putaran rotor. Hal ini mempercepat bertemunya tumit kontak pemutus dengan cam
sehingga kontak pemutus terbuka lebih awal dan pengapian yang terjadi juga
menjadi lebih awal. Pada bagian ujung vakum advancer terdapat octane selector yang berfungsi untuk memajukan atau memundurkan saat
pengapian jika mengganti bahan bakar dari oktan rendah ke oktan tinggi atau
sebaliknya. Jika batang octane selector diputar, pososi kait (l), gambar 9.15, akan berubah
terhadap batang advancer. Hal ini menyebabkan posisi dudukan kontak pemutus
terhadap cam ikut berubah.
Octane selector dapat melakukan penyetelan saat pengapian yang terbaik
dengan memutar tombol octane selector sesuai dengan nilai oktan bahan bakar yang digunakan
pada kendaraan. Dengan memutar octane selector ke arah memajukan saat pengapian, maka saat
pengapian akan lebih maju jika dibandingkan dengan kondisi normal, sedangkan
jika dimundurkan, maka saat pengapian akan lebih mundur jika dibandingkan
dengan kondisi normal saat kevakumam pada intake manifold meningkat. Vakum advancer dan sentrifugal advancer bekerja
bersamaan untuk mendapatkan efisiensi pembakaran yang optimum pada mesin. Pada
mesin dengan teknologi yang lebih modern, pemajuan dan pemunduran saat
pengapian tidak lagi menggunakan sentrifugal dan vakum advancer tetapi sudah
dilakukan oleh komputer secara otomatis berdasarkan sensor-sensor yang ada pada
kendaraan, misalnya sensor putaran mesin, sensor knocking, sensor temperatur air pendingin, dan sensorsensor
lainnya. Secara khusus hal ini dijelaskan pada bagian sistem pengapian
terkontrol komputer pada bab ini.
4.
Kondensor
Kondensor adalah bagian pada sistem pengapian yang
berfungsi untuk menyerap tegangan induksi diri yang dihasilkan pada kumparan
primer koil sehingga pada kontak pemutus tidak terjadi loncatan bunga api.
Dengan meminimalkan loncatan api pada kontak pemutus, maka proses pemutusan
arus primer koil bisa lebih cepat yang berpengaruh kepada besarnya api yang
dihasilkan pada busi. Kondensor dipasang secara paralel dengan kontak pemutus.
Penjelasan prinsip, konstruksi, dan kerja kondensator secara rinci sudah
dijelaskan pada bab dasar-dasar elektronika, sedangkan kerja kondensor pada
sistem pengapian secara khusus dijelaskan pada cara kerja sistem pengapian
konvensional pada bab ini.
Gambar 9.18. Kondensor
Gambar 9.19. Pengaruh penggunaan kondensor yang tidak
sesuai
Gambar 9.20. Kabel tegangan tinggi
Kabel tegangan tinggi adalah kabel yang berfungsi untuk
mangalirkan tegangan tinggi dari koil ke tutup distributor dan dari distributor
ke tiap-tiap busi. Struktur kabel tegangan tinggi digambarkan pada gambar
seperti pada gambar 9.21, sama seperti central conductor yang dibungkus oleh
karet, permukaanya ditutup oleh bahan yang terbuat dari plastik. Kabel untuk
penghantar tengah dibuat dari rangkaian kawat tembaga atau karbon yang dicampur
fiber agar mempunyai tahanan yang tetap konstan dan disebut dengan kabel TVRS
(Television Radio Suppression). Kabel ini mempunyai kurang lebih 10 buah
tahanan yang dipasang ke semua kabel untuk mencegah terjadinya noise akibat frekwensi tinggi pada sirkuit pengapian.
1.
Kawat karbon
Konduktor ini terbuat dari serat kaca dengan cara
memasukkan karbon ke serat kaca untuk mendapatkan tahanan yang konstan. Tutup
luarnya terbuat dari karet ethylene propylene (EPDM), yang tahan terhadap panas
dan dingin.
2.
Kabel tipe double wire wound
Kabel ini terdiri dari kawat inti metalik yang dililitkan
di sekeliling tetron core dengan tetron separator pada celahnya. Kawat inti tersebut dikelilingi oleh
insulator. Sebagai tambahan, untuk mengatasi ruang mesin yang panas maka
dipasang vinyl yang tahan terhadap panas digunakan untuk tutup luarnya. Tahanan
kawatnya adalah sekitar 16Q/m.
Gambar 9.22. Kabel tipe double wire wound
Busi dipasang di tiap ruang pembakaran pada kepala silinder
untuk membakar campuran udara bahan bakar di dalam silinder dengan cara
memercikan bunga api di antara elektroda positif (tengah) dan elektroda
negatif. Percikan api ini berasal dari tegangan tinggi yang dihasilkan oleh
kumparan sekunder koil.
Gambar 9.23. Busi
Busi terdiri dari tiga komponen utama yaitu electrode,
insulator dan shell. Electrode terdiri dari central electrode dan ground electrode. Karena tegangan tinggi yang diinduksikan pada kumparan sekunder koil disalurkan ke
elektroda tengah busi, maka percikan api akan terjadi pada celah busi. Celah
busi umumnya berkisar 0.7~1.1 mm. Bahan untuk membuat elektroda harus kuat,
tahan panas dan tahan karat sehingga materialnya terbuat dari nickel atau
paduan platinum. Dalam hal tertentu, karena pertimbangan radiasi panas,
elektroda tengah bisa terbuat dari tembaga. Diameter elektroda tengah umumnya
adalah 2,5 mm. Untuk mencegah terjadinya percikan api yang kecil dan untuk
meningkatkan unjuk kerja pengapian, beberapa elektroda tengah mempunyai
diameter kurang dari 1 mm atau pada elektroda massanya berbentuk alur U.
Insulator berfungsi untuk menghindari terjadinya kebocoran
tegangan pada elektroda tengah atau inti busi, sehingga bagian ini mempunyai
peranan yang penting dalam menentukan unjuk kerja pengapian. Karena itu,
insulator mempunyai daya isolasi yang cukup baik terhadap listrik, tahan panas,
kuat dan stabil. Insulator ini terbuat dari keramic yang mempunyai daya sekat
yang baik serta mempunyai penyangga untuk mencegah terjadinya loncatan api dari
tegangan tinggi.
Shell adalah komponen logam yang mengelilingi insulator dan
sekerup untuk bisa dipasang pada kepala silinder. Elektroda massa disolder pada
bagian ujung ulir busi. Sesuai dengan diameter sekrupnya, terdapat 4 macam ulir
10 mm, 12 mm, 14 mm dan 18 mm. Panjang (jangkauan) ulir ditentukan oleh
diameternya. Untuk panjang sekrup 14 mm, terdapat 3 jenis panjang ulir, yaitu
9,5 mm, 12,7mm dan 19 mm. Celah antara insulator dan inti kawat atau shell diberi perapat khusus yaitu glass seal.
Gambar 9.24. Busi panas dan busi dingin
Persyaratan yang harus dimiliki busi adalah harus tahan
terhadap panas, konstruksinya kuat, tahan karat, harus tahan terhadap tekanan
kompresi sehingga tidak terjadi kebocoran, mempunyai self-cleaning temperature, harus mempunyai sifat sebagai insulasi listrik yang baik.
Jika temperatur elektroda busi kurang dari 4500C, maka akan
terbentuk karbon akibat pembakaran yang kurang sempurna dan akan menempel pada
permuka keramik (porselin) sehingga akan menurunkan tahanan isolasinya terhadap
bodi busi. Hal ini sangat merugikan karena tegangan tinggi dapat melewati
karbon tersebut yang dapat menyebabkan misfiring karena tidak ada percikan api pada busi. Jika temperatur
4500C atau lebih, maka karbon pada hidung isolator akan terbakar
sehingga hidung busi menjadi bersih.
Temperatur di mana kerak karbon pada busi dapat terbakar
sehingga busi menjadi bersih kembali disebut self-cleaning temperature atau temperatur membersihkan diri. Sekarang ini sudah
banyak busi yang bisa mempertahankan temperatur suhunya dalam berbagai macam
kondisi berkendara. Umumnya batas ketahanan panasnya tertulis pada businya untuk memberikan
informasi mengenai tipe dan ukurannya. Angka penunjuk panasnya ada beberapa
macam tergantung dari pabrik pembuatnya. Angka yang besar berarti jenis busi
dingin, sedangkan angka kecil berarti jenis busi panas. Pada busi dingin, suhu
elektroda tengah yang panas dapat segera turun karena perpindahan panasnya
dapat berlangsung dengan cepat. Hal ini karena insulator keramiknya pendek
sehingga dengan mudah panas disalurkan ke bodi busi, ke kepala silinder, dan
kemudian diserap oleh air pendingin. Pada busi panas, insulator keramiknya
panjang sehingga proses penyaluran panasnya lebih sulit. Hal ini menyebabkan
suhu elektroda busi menjadi lebih panas jika dibandingkan dengan busi dingin.
Besarnya celah busi akan berpengaruh terhadap besarnya
tegangan yang diperlukan untuk menghasilkan percikan api. Jika celah busi
bertambah besar maka tegangan yang diperlukan untuk meloncatkan api juga akan
bertambah besar. Hal ini disebabkan oleh makin besarnya energi yang diperlukan
untuk meloncatkan api pada celah yang besar. Energi yang lebih besar berarti
tegangan yang diberikan harus lebih tinggi. Grafik di bawah menggambarkan
hubungan antara tegangan yang dibutuhkan dengan celah busi.
Gambar 9.25. Hubungan tegangan yang dibutuhkan dengan celah
busi
Tekanan kompresi di dalam ruang bakar juga akan
mempengaruhi tegangan tinggi yang diperlukan untuk memercikan bunga api pada
busi. Bila tekanan kompresi makin tinggi, maka kerapatan gas yang dikompresikan
akan semakin tinggi sehingga tahanan listrikanya makin besar dan diperlukan
tegangan yang lebih tinggi untuk meloncatkan percikan api pada busi. Selain itu
suhu campuran udara dan bahan bakar yang makin rendah menyebabkan tegangan yang
diperlukan akan naik juga. Grafik di bawah ini memperlihatkan hubungan antara
tegangan yang diperlukan, tekanan kompresi, dan suhu campuran udara bahan bakar
yang dikompresi.
Gambar 9.26. Grafik hubungan antara tegangan dan tekanan
kompresi pada beberapa suhu campuran udara bahan bakar
Gambar di atas memperlihatkan hubungan antara tekanan campuran
udara bahan akar di sekeliling elektroda dan tegangan pengapian. Pada saat
temperatur campuran udara bahan bakar naik, tegangan pengapiannya juga akan
naik. Dengan tekanan yang sama namun temperaturnya tinggi, maka tegangan
pengapiannya akan lebih rendah. Pada gambar 9.26 b, terlihat hubungan antara
temperatur elektroda dan tegangan pengapian. Ketika temperatur elektroda naik,
tegangan pengapiannya akan lebih rendah, karena dari permukaan elektroda mudah
sekali mengeluarkan api. Pada tekanan atmosfir, loncatan api dapat terjadi
dengan tegangan sebesar 2~3kV, namun ketika dipasang pada silinder, tegangan
pengapiannya akan lebih tinggi dari 10kV karena tekanan campuran udara bahan
bakar di sekitar elektoda adalah sekitar 10kgf/cm selama dalam proses langkah
kompresi.
Ketika campuran udara bahan bakar yang mauk ke dalam
silinder dan kemudian ditekan (dikomppresi), maka temperaturnya akan lebih dari
200 derajat celcius. Kemudian, pada saat mobil melaju, temperatur businya akan
lebih tinggi dari 500 derajat celcius, sehingga tegangan pengapiannya akan
lebih rendah begitu temperaturnya naik. Loncatan api akan dikeluarkan dengan
tegangan sekitar 10kV. Sebaliknya, apabila mesin dihidupkan dengan cuaca
dingin, maka tegangan pangapian yang dibutuhkan lebih tinggi.
Sistem pengapian konvensional adalah sistem pengapian yang
menggunakan kontak pemutus atau platina sebagai komponen pemutus dan penghubung
arus pada kumparan primer koil. Bagian-bagian dari sistem pengapian
konvensional (lihat gambar di bawah) terdiri dari baterai, sekering, kunci
kontak, koil, distributor, kabel tegangan tinggi, dan busi. Ciri khusus sistem
pengapian konvensional ini adalah proses pemutusan arus primer dilakukan secara
mekanik, yaitu dengan proses membuka dan menutupnya kontak pemutus. Kontak
pemutus bekerja seperti saklar di mana pada saat tertutup arus dapat mengalir
dan saat kontak pemutus terbuka arus akan terhenti.
Koil pengapian yang terdiri dari tiga (atau empat) terminal
berfungsi untuk menaikan tegangan baterai 12 V menjadi tegangan tinggi 10000
sampai 40000 V. Sistem pengapian terdiri dari dua rangkaian utama yaitu
rangkaian primer dan rangkaian sekunder. Rangkaian primer sistem pengapian
dimulai dari terminal positif baterai, sekering, kunci kontak, resistor,
kumparan primer koil, kemudian kontak pemutus. Rangkaian sekunder meliputi
kumparan sekunder koil, kebel tegangan tinggi, tutup distributor, sampai ke
busi. Terminal positif koil dihubungkan dengan resistor (tipe resistor luar)
dan satu terminal resistor dihubungkan dengan terminal IG pada kunci kontak.
Terminal negatif koil dirangkaikan dengan terminal pada distributor yang secara
langsung berhubungan juga dengan kontak pemutus. Dengan demikian arus dari terminal
negatif koil sampai ke massa melalui kontak pemutus. Terminal negatif koil ini
juga dihubungkan ke kondensor. Pada bagian atas koil terdapat terminal sekunder
atau terminal tegangan tinggi. Terminal ini dihubungkan dengan tutup
distributor melalui kabel tegangan tinggi dan dari tutup distributor diteruskan
ke tiap-tiap busi melalui rotor.
Kontak pemutus (platina) berfungsi untuk memutuskan dan
menghubungkan arus ke kumparan primer koil. Lamanya arus mengalir ke kumparan
primer terjadi selama kontak pemutus tertutup. Sudut yang terbentuk pada cam di mana kontak pemutus dalam keadaan tertutup disebut
sudut dwell. Kondensor berfungsi untuk mengurangi percikan bunga api pada
kontak pemutus akibat adanya induksi diri pada kumparan primer. Cam berfungsi untuk mendorong tumit kontak pemutus sehingga
bisa terbuka dan tertutup kembali oleh pegas. Vakum dan sentrifugal advancer
berfungsi untuk memajukan atau memundurkan saat pengapian sesuai dengan putaran
dan beban mesin. Saat pengapian (ignition timing) pada suatu motor bensin adalah saat di mana busi
memercikan bungan api dengan tepat pada akhir langkah kompresi untuk memulai
pembakaran di dalam ruang bakar.
Secara sederhana sistem pengapian konvensional dapat digambarkan
dengan skema di bawah ini. Baterai memberikan arus yang besar (sekitar 4 A)
pada kumparan primer yang mempunyai tahanan kecil. Kontak pemutus yang dibuka
oleh cam dengan cepat memutus aliran arus primer (I) sehingga arusnya menjadi
nol. Perubahan medan magnet yang sangat cepat pada kumparan primer saat kontak
pemutus terbuka menghasilkan tegangan induksi. Jumlah kumparan sekunder yang
jauh lebih banyak dibandingkan kumparan primer bekerja seperti transformator
penaik tegangan yang dapat meningkatkan tegangan menjadi sangat tinggi pada
kumparan sekunder. Kondensor dapat meredan percikan api di antara kontak
pemutus saat kontak pemutus terbuka.
Berikut ini digambarkan rangkaian sistem pengapian
konvensional untuk mesin empat silinder. Gambar di bawah mengilustrasikan cara
kerja dan aliran arus pada rangkaian sistem pengisian. Cara kerja sistem
pengapian dijelaskan dalam tiga tahap, yaitu saat kontak pemutus tertutup, saat
kontak pemutus membuka, dan saat kontak pemutus tertutup kembali. Secara rinci
cara kerja sistem ini adalah sebagai berikut.
Gambar 9.29. Sistem pengapian saat kontak pemutus tertutup
Saat kunci kontak on, kontak pemutus tertutup, arus dari
terminal positif baterai mengalir ke kunci kontak (lihat gambar (a) di atas),
ke terminal positif (+) koil, ke terminal negatif (-) koil, ke kontak pemutus,
kemudian ke massa. Aliran arus ke kumparan primer koil menyebabkan terjadinya
kemagnetan pada coil (gambar (b)). Cam selalu berputar karena selama mesin
hidup poros engkol memutarkan poros nok (cam shaft) dan poros nok memutarkan distributor di mana terdapat cam
di dalamnya. Karena cam berputar, maka ada saatnya ujung cam mendorong kontak
pemutus sehingga terbuka.
Jika kontak pemutus terbuka, arus yang mengalir ke kumparan
primer seperti dijelaskan di atas terputus dengan tiba-tiba. Akibatnya
kemagnetan di sekitar koil hilang / drop dengan cepat. Dalam teori kemagnetan, jika terjadi
perubahan medan magnet di sekitar suatu kumparan, maka pada kumparan tersebut
akan terjadi tegangan induksi. Karena saat kontak pemutus terbuka arus listrik
terputus, maka medan magnet pada koil hilang dengan cepat atau terjadi
perubahan garis-garis gaya magnet dengan cepat sehingga pada kumparan sekunder
terjadi induksi tegangan. Pada kumparan primer juga terjadi tegangan induksi.
Tegangan induksi pada kumparan sekunder disebut dengan tegangan induksi mutual
sedangkan pada kumparan primer disebut tegangan induksi diri.
Tegangan tinggi pada kumparan sekunder (10000 V atau lebih)
disalurkan ke distributor melalui kabel tegangan tinggi dan dari distributor
diteruskan ke tiap-tiap busi sesuai dengan urutan penyalaannya sehingga pada
busi terjadi loncatan api pada busi. Tegangan pada kumparan primer sekitar 300
sampai 500 V disalurkan ke kondensor. Penyerapan tegangan induksi diri oleh
kondensor ini akan mengurangi loncatan bunga api pada kontak pemutus. Efek
tidak terjadinya loncatan pada kontak pemutus adalah pemutusan arus primer yang
cepat sehingga menghasilkan perubahan garis-garis gaya magnat pada koil dengan
cepat pula.
Gambar 9.31. Pembuangan muatan kondensor saat kontak
pemutus tertutup.
Cam yang selalu berputar menyebabkan cam kembali ke posisi
bawah atau tidak mendorong kontak pemutus sehingga pegas kontak pemutus akan
bekerja mendorong kontak pemutus sehingga kontak pemutus menutup kembali
(perhatikan gambar di atas). Pada saat ini arus dari baterai akan kembali
mengalir ke kumparan primer koil sehingga prosesnya berulang lagi (timbul medan
magnet pada koil). Pada saat kontak pemutus menutup terjadi rangkaian tertutup
pada kondensor sehingga muatan kondensor yang tadi tersimpan akan dibuang (discharge) ke massa melalui kontak pemutus.
Aliran arus primer koil pada saat kontak pemutus tertutup
berbentuk eksponensial (gambar 9.32). Hal ini disebabkan adanya efek gaya gerak
listrik lawan (counter electromotive force) pada saat arus mengalir ke kumparan primer koil yang
menyebabkan terbentuknya medan magnet di sekitar koil. Terbentuknya medan
magnet tersebut akan menghasilkan tegangan balik yang arahnya melawan aliran
arus dari baterai. Hal ini menyebabkan kenaikan arus pada kumparan primer koil
tidak langsung tinggi atau berbentuk eksponensial. Semakin tinggi putaran
mesin, maka semakin singkat kontak pemutus menutup sehingga arus primer koil
juga menjadi semakin kecil bila dibandingkan dengan arus primer pada saat
putaran rendah atau sedang. Hal ini akan menurunkan kemampuan sistem pengapian.
Gambar 9.32. Grafik arus primer koil pada sistem pengapian
tipe kontak pemutus
Kecilnya arus primer pada putaran tinggi jelas akan
menurunkan kemampuan sistem pengapian, karena medan magnet yang dihasilkan pada
koil akan menurun. Karena tegangan induksi yang dihasilkan oleh koil sangat
ditentukan oleh kuat lemahnya medan magnet, maka jika pada putaran tinggi arus primer
menurun, kuat medan magnet juga menurun yang tentu saja akan menurunkan
tegangan yang dihasilkan oleh kumparan sekunder koil. Hal ini sangat merugikan
karena api yang dihasilkan di busi juga akan kecil sehingga energi yang
digunakan untuk membakar campuran udara dan bahan bakar di dalam silinder
menjadi kecil yang berakibat kurang sempurnanya pembakaran.
Gambar 9.33. Kumparan primer dan sekunder koil
Koil merupakan dua buah kumparan primer dan sekunder dengan
perbandingan kumparan tertentu. Prinsip kerja koil pada dasarnya sama dengan
transformator. Jika suatu transformator bekerja secara ideal, perbandingan
tegangan primer dan sekunder sama dengan perbandingan jumlah kumparan primer
dan sekunder.
Sistem pengapian ini memanfaatkan transistor untuk memutus
dan mengalirkan arus primer koil. Jika pada sistem pengapian konvensional
pemutusan arus primer koil dilakukan secara mekanis dengan membuka dan menutup
kontak pemutus, maka pada sistem pengapian elektronik pemutusan arus primer
koil dilakukan secara elektronis melalui suatu power transistor yang
difungsikan sebagai saklar (switching transistor).
0 komentar:
Posting Komentar