SISTEM PENGAPIAN KONVENSIONAL

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

9.I.2.5.  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

9.I.2.6.     Busi

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.

9.2.            Sistem Pengapian Konvensional

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.

9.2.1.     Prinsip Kerja Sistem Pengapian

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.

9.1.4. Tegangan Sekunder

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.

9.3.            Sistem Pengapian Elektronik

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).

Read More