Sistem bahan bakar, pengapian, dan pengendali mesin: campuran udara dan bahan bakar, injeksi, pengapian, sensor mesin, pengendali, dan gejala gangguan

Mobil boks bensin yang dipakai sebuah laundry untuk mengantar linen ke hotel mulai bermasalah. Lampu peringatan mesin di dasbor menyala, mesin tersendat dan bergetar saat diam di depan hotel pada pagi hari, dan sopir mengatakan isi tangki habis lebih cepat dari biasanya. Bengkel langganan baru dapat menerima kendaraan minggu depan, sehingga pengelola meminta teknisi laundry yang memiliki alat pindai sederhana untuk melihat dulu apa yang terjadi.

Alat pindai menunjukkan dua catatan: satu silinder sering gagal menyala, dan pengendali mesin menambah bahan bakar jauh di atas biasanya karena campuran terbaca terlalu ramping. Pemeriksaan visual menemukan kabel tegangan tinggi ke koil silinder itu retak di dekat kepala mesin, dan selang vakum kecil di saluran isap terlepas sebagian, sehingga udara masuk tanpa terukur sensor. Dua kerusakan kecil itu menjelaskan semua gejala. Bab ini menjelaskan cara kerja sistem bahan bakar, pengapian, dan pengendali mesin, supaya teknisi dapat membaca gejala, memeriksa hal dasar dengan aman, dan memberi bengkel keterangan yang berguna.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sistem bahan bakar, pengapian, dan pengendali mesin dari sisi teknisi dan pengelola kendaraan: kebutuhan campuran, karburator dan injeksi, injeksi bensin dan diesel, pengapian, penyalaan diesel, sensor, pengendali, gejala, dan pemeriksaan dasar. Perbaikan, penyetelan, dan pemrograman ulang pengendali mengikuti manual pabrik dan dikerjakan bengkel yang berwenang.

Siklus mesin dan perbandingan udara dan bahan bakar ada di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam dan siklusnya; kendaraan sebagai aliran energi di Bab 1; stoikiometri di Bab 7 · Kimia; papan kendali di Bab 2 · Komputasional; program kendali waktu nyata di Bab 4 · Komputasional; komunikasi data di Bab 5 · Komputasional; multimeter di Bab 15 · Kelistrikan & Kendali; bahan kimia di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi; isolasi energi non-listrik di Bab 4 · Keselamatan; proteksi kebakaran di Bab 17 · Bangunan & Fasilitas. Angka untuk kendaraan tertentu diambil dari manual pabrik; angka umum di bab ini adalah nilai umum.

Kebutuhan campuran udara dan bahan bakar

Seperti dijelaskan di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam dan siklusnya, pembakaran sempurna bensin memerlukan sekitar 14,7 kg udara per kg bahan bakar. Lambda (air-fuel equivalence ratio) adalah perbandingan campuran sebenarnya terhadap perbandingan stoikiometrik:

dengan AFR perbandingan massa udara terhadap massa bahan bakar (kg udara per kg bahan bakar), sehingga lambda tidak bersatuan. Lambda 1 berarti campuran tepat; di bawah 1 berarti kaya bahan bakar, dan di atas 1 berarti ramping. Campuran yang kaya memberi tenaga lebih besar pada beban penuh tetapi boros dan menghasilkan karbon monoksida serta jelaga; campuran yang terlalu ramping membuat mesin tersendat, panas, dan dapat merusak katup dan pengubah katalitik. Pembakaran ramping pada dasarnya membakar bahan bakar dengan udara berlebih, yang hanya dapat dipakai pada mesin yang dirancang untuknya.

Dari karburator ke injeksi

Karburator (carburetor) adalah alat yang mencampur bahan bakar dengan memanfaatkan isapan udara yang lewat venturi, cara yang sederhana tetapi kurang teliti pada perubahan beban dan suhu. Ada karburator ganda dua laras dalam satu rakitan, dan saluran bahan bakar ke karburator tersambung ke keran bahan bakar. Kendaraan modern memakai injeksi yang dikendalikan elektronik:

1. Injeksi lubang isap: injektor menyemprot ke saluran isap di depan katup isap, dengan tekanan bahan bakar sekitar 3 sampai 4 bar.
2. Injeksi langsung bensin: injektor menyemprot langsung ke silinder dengan tekanan puluhan sampai ratusan bar.
3. Injeksi diesel rel bersama: pompa bertekanan tinggi mengisi rel bersama, dan injektor yang dikendalikan elektronik menyemprot ke silinder dengan tekanan sekitar seribu sampai lebih dari dua ribu bar.

Udara segar masuk ke silinder melalui saluran isap.

Pompa, saringan, regulator, dan injektor

Bagian sistem bahan bakar yang umum:

1. Pompa bahan bakar listrik di dalam tangki, yang mengalirkan bensin ke rel injektor.
2. Saringan bahan bakar, yang menahan kotoran supaya injektor tidak tersumbat.
3. Pengatur tekanan, yang menjaga tekanan rel tetap atau mengikuti tekanan saluran isap.
4. Injektor (fuel injector) adalah katup solenoid yang membuka selama waktu tertentu; banyaknya bahan bakar ditentukan lama buka injektor pada tekanan yang diketahui.
5. Pada diesel: pompa tekanan tinggi, rel, injektor, katup pengatur tekanan rel, dan saluran balik bahan bakar.

Tekanan bahan bakar adalah energi tersimpan yang harus dibuang sebelum sambungan dibuka, seperti isolasi energi non-listrik di Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik. Semprotan diesel bertekanan tinggi dapat menembus kulit dan menyebabkan cedera berat walaupun lubangnya tampak kecil. Bensin mudah menguap dan terbakar, sehingga pekerjaan pada saluran bensin dilakukan di tempat berventilasi, jauh dari api dan percikan, dengan alat pemadam di dekatnya, seperti di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi dan Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran.

Pengapian

Mesin bensin memerlukan percikan listrik untuk menyalakan campuran. Busi (spark plug) adalah komponen tempat percikan itu melompati celah di ruang bakar. Busi mempunyai elektroda tengah dan elektroda samping, dan ada distributor yang memuat koil pengapian sebagai satu rakitan. Pada kendaraan modern, umumnya setiap busi mempunyai koil sendiri yang dikendalikan pengendali mesin. Koil menaikkan tegangan aki sampai puluhan ribu volt untuk melompati celah busi.

Saat pengapian (ignition timing) adalah saat percikan terjadi, dinyatakan dalam derajat putaran poros engkol sebelum torak mencapai titik mati atas. Percikan harus terjadi sedikit lebih awal supaya tekanan puncak terbentuk tepat setelah titik mati atas; pada putaran tinggi, saat pengapian dimajukan karena waktu pembakaran tidak banyak berubah sedangkan torak bergerak lebih cepat. Ketukan biasanya disebabkan saat pengapian yang salah atau mutu bensin yang buruk. Pengendali modern memakai sensor ketukan untuk memundurkan saat pengapian bila ketukan terdeteksi.

Tegangan pengapian sangat tinggi walaupun arusnya kecil. Kabel dan koil tidak disentuh saat mesin hidup, dan pemeriksaan percikan dilakukan dengan alat uji yang sesuai, tidak dengan memegang kabel atau mendekatkan busi ke badan mesin dengan tangan.

Penyalaan mesin diesel

Mesin diesel tidak memakai busi pengapian. Udara dimampatkan sampai panas, lalu bahan bakar disemprotkan dan menyala sendiri setelah jeda singkat. Setelah pembakaran awal, bahan bakar yang disemprotkan terbakar tanpa jeda, dan pada sebagian jenis mesin diesel bahan bakar disemprotkan ke ruang bantu. Busi pijar (glow plug) adalah pemanas yang, saat mesin dingin, memanaskan ruang bakar supaya mesin mudah hidup; busi pijar yang rusak membuat mesin sulit dihidupkan pada pagi hari dan berasap putih sebentar.

Mutu dan kebersihan solar sangat penting: air dan kotoran di solar merusak pompa dan injektor bertekanan tinggi, sehingga pemisah air di saringan solar dikuras teratur.

Sensor mesin

Pengendali mesin membaca banyak sensor untuk menentukan bahan bakar dan pengapian:

1. Posisi poros engkol dan posisi poros nok: putaran dan posisi torak, untuk menentukan kapan menyemprot dan memercik.
2. Aliran massa udara atau tekanan saluran isap: banyaknya udara yang masuk.
3. Suhu udara isap dan suhu pendingin: koreksi untuk mesin dingin dan udara panas.
4. Posisi katup gas atau pedal gas: permintaan pengemudi.
5. Sensor oksigen atau lambda di saluran buang: apakah campuran kaya atau ramping.
6. Sensor ketukan: getaran khas ketukan di blok mesin.
7. Pada diesel: tekanan rel, tekanan turbo, dan suhu gas buang.

Sensor-sensor ini bekerja dengan prinsip yang sama seperti sensor proses di industri: tegangan analog, frekuensi, atau sinyal digital yang dibaca papan kendali, seperti di Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler. Pemeriksaan sinyal dengan multimeter atau alat ukur lain mengikuti cara di Bab 15 · Kelistrikan & Kendali tentang multimeter digital dan manual pabrik. Banyak gangguan sensor sebenarnya gangguan sambungan: konektor yang berkarat, pin yang longgar, atau kabel yang retak di tempat yang sering bergerak dekat mesin. Menggoyang konektor dan kabel dengan hati-hati sambil melihat data langsung di alat pindai sering memperlihatkan sinyal yang melompat, cara yang sama dengan mencari gangguan berselang di instalasi listrik.

Pengendali mesin

Pengendali mesin (engine control unit) adalah papan mikrokontroler yang menjalankan program kendali waktu nyata, seperti dibahas di Bab 4 · Komputasional tentang program kendali waktu nyata. Cara kerjanya:

1. Peta dasar: dari putaran dan banyaknya udara, pengendali mengambil lama buka injektor dan saat pengapian dari tabel yang disimpan.
2. Koreksi: suhu mesin, suhu udara, tegangan aki, dan keadaan khusus seperti menghidupkan mesin dingin.
3. Kendali umpan balik: sensor lambda memberi tahu apakah campuran kaya atau ramping, dan pengendali menambah atau mengurangi bahan bakar. Koreksi jangka pendek bekerja dari detik ke detik; koreksi jangka panjang belajar dari kebiasaan mesin dan disimpan.
4. Pemantauan dan kode galat: pengendali memeriksa sensor dan hasilnya; bila ada yang di luar batas, kode galat disimpan dan lampu peringatan dinyalakan.
5. Mode darurat: bila sensor penting gagal, pengendali memakai nilai pengganti supaya kendaraan masih dapat dibawa pelan ke bengkel.

Kode galat dan data langsung dibaca melalui soket diagnosis dengan alat pindai yang berkomunikasi lewat bus data kendaraan, seperti prinsip komunikasi di Bab 5 · Komputasional tentang komunikasi data perangkat lapangan. Koreksi jangka panjang yang besar adalah petunjuk yang sangat berguna: pengendali sudah "mengakali" masalah yang belum diperbaiki.

Gejala gangguan dan penyebab umum

Pola yang umum:

1. Mesin tersendat saat diam, satu silinder gagal menyala: busi, koil, kabel tegangan tinggi, injektor silinder itu, atau kompresi rendah.
2. Koreksi bahan bakar positif besar, campuran ramping: udara bocor setelah sensor aliran udara, tekanan bahan bakar rendah, saringan tersumbat, atau injektor kotor. Koreksi yang besar hanya saat diam dan kecil pada putaran tinggi menunjuk udara bocor: pada putaran tinggi, kebocoran yang sama menjadi bagian kecil dari udara total.
3. Koreksi bahan bakar negatif besar, campuran kaya: injektor menetes, tekanan bahan bakar terlalu tinggi, atau sensor yang salah membaca.
4. Ketukan saat menanjak: bahan bakar beroktan terlalu rendah, kerak di ruang bakar, atau mesin terlalu panas.
5. Sulit hidup saat dingin: aki lemah, busi pijar pada diesel, sensor suhu pendingin, atau tekanan bahan bakar turun semalam karena katup tahan balik bocor.
6. Tenaga hilang dan asap hitam pada diesel: saringan udara, turbo, injektor, atau tekanan rel.
7. Boros tanpa lampu peringatan: termostat macet terbuka, ban kempis, rem menyeret, atau cara mengemudi dan waktu diam.

Mutu dan penyimpanan bahan bakar

Banyak gangguan sistem bahan bakar berasal dari bahan bakarnya sendiri:

1. Oktan bensin: bensin dengan angka oktan di bawah kebutuhan mesin menimbulkan ketukan; pengendali memundurkan saat pengapian, sehingga tenaga turun dan konsumsi naik.
2. Air di solar: air mengembun di tangki yang setengah kosong dan masuk ke solar. Air merusak pompa dan injektor bertekanan tinggi, sehingga pemisah air dikuras dan tangki tidak dibiarkan lama setengah kosong.
3. Kotoran dan mikroba: solar yang disimpan lama di tangki atau jeriken dapat ditumbuhi mikroba yang membentuk lendir dan menyumbat saringan.
4. Bensin yang disimpan lama kehilangan bagian yang mudah menguap dan membentuk endapan getah, terutama pada mesin kecil yang jarang dipakai.
5. Wadah penyimpanan: bahan bakar cadangan untuk kendaraan, genset, atau mesin kecil disimpan di wadah yang sesuai, tertutup, berlabel, di tempat berventilasi dan jauh dari sumber api, menurut aturan bahan kimia di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi.

Bila gangguan muncul pada beberapa kendaraan setelah mengisi di tempat yang sama, mutu bahan bakar diperiksa lebih dulu sebelum komponen diganti.

Pemeriksaan dasar yang aman

Teknisi yang bukan mekanik dapat melakukan pemeriksaan yang tidak membongkar sistem:

1. Baca kode galat dan data langsung dengan alat pindai, catat sebelum menghapus apa pun; kode yang dihapus tanpa dicatat menghilangkan petunjuk bagi bengkel.
2. Periksa secara visual selang vakum, sambungan saluran isap, konektor sensor, kabel tegangan tinggi, dan tanda bocor bahan bakar, dengan mesin mati dan dingin.
3. Periksa aki dan tegangannya, karena tegangan rendah membuat banyak sensor dan aktuator bekerja salah.
4. Periksa saringan udara dan tanggal penggantian saringan bahan bakar.
5. Catat keadaan saat gejala muncul: mesin dingin atau panas, diam atau menanjak, setelah mengisi bahan bakar di mana.

Pekerjaan yang membuka saluran bahan bakar, membongkar injektor, atau mengubah setelan pengendali diserahkan kepada bengkel yang berwenang. Alat pindai yang murah tidak sama dengan alat bengkel: alat sederhana membaca kode dasar; data pabrik, uji aktuator, dan pemrograman memerlukan alat dan izin yang sesuai.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: bahan bakar per siklus. Mesin empat silinder 2,0 L berputar 2.000 putaran per menit dengan efisiensi volumetrik 0,85 dan massa jenis udara 1,18 g/L. Udara per silinder per siklus $0{,}5 \times 0{,}85 \times 1{,}18 = 0{,}50$ g, sehingga bensin yang diperlukan pada lambda 1 adalah $0{,}50/14{,}7 = 0{,}034$ g, sekitar 34 mg.

Contoh 2: lama buka injektor. Injektor mengalirkan 250 g per menit, yaitu 4,17 g/s, pada tekanan rancangannya. Lama buka yang diperlukan $0{,}034/4{,}17 = 0{,}0082$ s, sekitar 8,2 ms. Pada 2.000 putaran per menit, satu siklus empat langkah memakan 60 ms, jadi injektor terbuka sekitar 14 persen waktu.

Contoh 3: saat pengapian dalam waktu. Percikan 20 derajat sebelum titik mati atas pada 3.000 putaran per menit, yaitu 50 putaran per detik, terjadi $20/360 \times 1/50 = 0{,}0011$ s, sekitar 1,1 ms sebelum torak mencapai titik mati atas.

Contoh 4: udara yang tidak terukur. Saat diam, mesin mengisap sekitar 3 g/s udara. Selang vakum yang bocor memasukkan 0,15 g/s udara tambahan yang tidak dilihat sensor, yaitu 5 persen. Pengendali menyemprot bahan bakar untuk 3 g/s, sehingga campuran menjadi sekitar 5 persen ramping sampai koreksi umpan balik menutupnya.

Contoh 5: tekanan rel diesel. Tekanan rel 1.600 bar sama dengan 160 MPa. Semprotan dari lubang kecil pada tekanan itu dapat menembus kulit; karena itu tangan tidak pernah dipakai untuk merasakan kebocoran di jalur bertekanan tinggi.

Contoh 6: gagal nyala dan bahan bakar. Pada mesin empat silinder dengan satu silinder gagal menyala terus, sekitar seperempat bahan bakar yang disemprotkan keluar tanpa terbakar sempurna. Bahan bakar itu terbakar di pengubah katalitik dan membuatnya terlalu panas, sehingga gagal nyala yang lama dapat merusak pengubah katalitik.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada bengkel yang berwenang bila:

1. Ada bau bensin kuat, tetesan, atau semprotan bahan bakar, terutama di dekat bagian panas atau listrik.
2. Saluran bahan bakar harus dibuka tanpa membuang tekanan dan tanpa alat pemadam di dekatnya.
3. Lampu peringatan mesin berkedip, yang biasanya menunjuk gagal nyala berat yang dapat merusak pengubah katalitik; kendaraan tidak dipakai berat.
4. Pengendali akan diprogram ulang atau setelannya diubah tanpa alat, izin, dan petunjuk pabrik.
5. Pemeriksaan pengapian memerlukan menyentuh atau mendekati kabel tegangan tinggi saat mesin hidup.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam dan siklusnya memberi siklus mesin dan perbandingan udara dan bahan bakar, Bab 7 · Kimia tentang mol dan stoikiometri memberi dasar perbandingan stoikiometrik, dan Bab 1 tentang sistem kendaraan sebagai aliran energi memberi aliran energi kendaraan. Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler, Bab 4 · Komputasional tentang program kendali waktu nyata, dan Bab 5 · Komputasional tentang komunikasi data perangkat lapangan menjelaskan papan, program, dan bus data yang dipakai pengendali mesin, sedangkan Bab 15 · Kelistrikan & Kendali tentang multimeter digital dipakai untuk memeriksa sinyal sensor. Keselamatan pekerjaan pada sistem bahan bakar bersandar pada Bab 4 · Keselamatan tentang isolasi energi non-listrik, Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi, dan Bab 17 · Bangunan & Fasilitas tentang proteksi kebakaran. Bab berikutnya di rak ini, Bab 5, membahas transmisi dan penggerak.

Latihan dan pembahasan