Sensor pada Mesin Kendaraan

SENSOR PADA MESIN KENDARAAN

         Sensor pada mesin merupakan piranti yang bertugas untuk membaca atau menangkap kondisi kondisi disekitar dan atau didalam mesin yang berupa besaranbesaran fisis yang selanjutnya diterjemahkan oleh control unit agar dapat menjadi bahan pertimbangan dalam menentukan kapasitas pengontrolan. Sensor dapat juga disebut sebagai alat pengindera kondisi mesin.

            Pada sistem kontrol engine, terdapat berbagai jenis sensor yang digunakan. Berbagai jenis sensor dengan tingkat ketelitian yang semakin meningkat berkembang pesat seiring dengan perkembangan teknologi, khususnya perkembangan elektronika. Contoh beberapa jenis sensor yang banyak digunakan pada mesin kendaraan adalah:

* * * * * * *

Sensor Elektromagnetik (Electromagnetic Sensor) Sensor Optik (Optical sensors) Sensor Knock Sensor jenis variable Resistan (Variable resistance type sensors) Sensor Tekanan (Pressure Sensor) Pengukur aliran udara (Air Flow Measurement) Sensor Oksigen (Exhaust gas Oxygent Sensor)

            Elektromagnetic merupakan sensor yang banyak digunakan untuk mengukur kecepatan ataupun putaran suatu objek yang berputar. Penggunaannya dapat kita lihat pada Crankshaft position sensor dan pengukur kecepatan roda pada system ABS. Model sensor ini biasanya terdiri dari jenis Variable Reluctance dan Hall sensor. (Bonnick, 2001).

1) Sensor Induktif

        Sensor elektromagnetik juga dikenal dengan generator signal. Jenis Variable Reluctance merupakan sensor induktif yang menghasilkan sinyal berbentuk sinusoida, dengan prinsip dasar pembentukan signal dari proses induksi magnet. Model sensor induktif ini banyak digunakan karena bentuknya yang sederhana dan murah. Aplikasinya di mesin banyak ditemukan sebagai pada Crankshaft Position Sensor (Sensor posisi Crankshaft/CKP) dan sensor posisi cam (Camshaft Position Sensor/CMP). Kedua sensor ini memiliki prinsip kerja yang sama.

Gambar 1. Prinsip Kerja Sensor Induktif

            Sensor Crankshaft dapat digunakan berkombinasi dengan sensor posisi camshaft yang sama untuk memantau hubungan antara piston dan katup di mesin, terutama dalam mesin yang menggunakan teknologi variabel Valve Timing . Metode ini juga digunakan untuk "mensinkronkan" kerja mesin saat hidup, yang memungkinkan sistem manajemen engine untuk mengetahui kapan harus menginjeksikan bahan bakar. Ini juga biasa digunakan sebagai sumber utama untuk pengukuran kecepatan mesin dalam putaran per menit. 

               

           Pada saat reluctor disc berputar, tab pada piringan akan bergerak melewati sirkuit magnetic. Dampaknya adalah akan terjadi perubahan garis gaya magnet dan akan menghasilkan tegangan induksi dari kumparan sensor.

Gambar 2. Bentuk sinyal yang dihasilkan sensor induktif.

Pada gambar di atas menunjukkan bentuk gelombang listrik yang dihasilkan dari proses perubahan garis gaya magnet yang terjadi saat tab pada piringan melewati sensor. Bentuk sinyal yang dihasilkan adalah analog, sehingga proses olah data ke control unit, harus melalui komponen Converter Analog-Digital, yaitu proses perubahan bentuk sinyal dari analog ke digital, agar dapat diproses oleh mikrokomputer.

Besar tegangan yang dihasilkan dipengaruhi besarnya kekuatan magnet pada sensor, jumlah lilitan koil, dan kecepatan pemotongan garis gaya magnet (kecepatan putar piringan).

Gambar 3. Contoh berbagai Model sensor induktif

Lokasi pemasangan sensor ini umumnya pada pulley poros engkol, flywheel, camshaft atau pada poros engkol itu sendiri. Sensor ini mempunyai peran penting bagi system managemen engine, sehingga apabila terjadi gangguan ada kemungkinan mesin tidak dapat hidup.

Gambar 4. (A) Penempatan Crankshaft Position Sensor dan
    (B) Bentuk Gelombang yang dihasilkan

Untuk tambahan referensi, anda dapat melihat video tentang crankshaft position sensor melalui Link :

  https://www.youtube.com/watch?v=RuIislTGOwA.

2) Sensor Hall Effect.

Generator sinyal jenis Hall adalah elemen semikonduktor yang dapat mendeteksi medan magnet dengan prinsip efel Hall. Generator sinyal jenis Hall menghasilkan Tegangan apabila medan magnet berada pada garis lurus dengan IC Hall. Sudu/ vane berfungsi sebagai rotor dan berputar bersama poros distributor. Ketika vane berada diantara celah element konduktif magnet dan IC Hall (celah udara), maka fluks magnet akan terhalang sehingga tegangan Hall (UG) yang dihasilkan berada pada posisi minimum. Sebaliknya pada saat vane diluar celah tersebut, tegangan Hall yang dihasilkan akan mencapai maksimum.

Gambar 5. Prinsip kerja sensor hall

Seperti pada signal induktif, perubahan tegangan Hall yang dihasilkan dijadikan sebagai referensi bagi kontrol unit untuk mengetahui pergerakan/putaran engine. Bentuk tegangan yang dihasilkan dari generator sinyal Hall berbentuk digital sehingga pada kontrol unit tidak diperlukan lagi pembentuk sinyal seperti pada generator induktif. 

Penggunaan sensor Hall, banyak diaplikasikan pada sensor pendeteksi sudut putar atau kecepatan masin, seperti pada Camshaft Position Sensor maupun untuk Crankshaft Position Sensor.

3) Sensor Optik

Bentuk lain dari sinyal putaran mesin adalah sensor optik. Sensor ini terdiri atas sebuah LED (Light Emitting Diode), sebuah Phototransistor dan piringan yang diputarkan oleh poros pemutar atau pada poros distributor. Adapun desain sensor optik seperti terlihat pada gambar berikut

Gambar 6. Skema sensor optik

Piringan dilengkapi dengan lubang – lubang yang jumlahnya disesuaikan dengan kebutuhan jumlah sinyal yang diperlukan dalam satu siklus mesin. Untuk sinyal pengapian pada mesin empat silinder akan tersedia empat buah lubang. Pada saat lubang berada diantara LED dan phototransistor, cahaya dari LED akan ditangkap oleh phototransistor sehingga phototransistor menghasilkan output. Out put ini kemudian diperkuat melalui sebuah rangkaian penguat signal yang selanjutnya dikirim ke kontrol unit sebagai sinyal putaran engine.

Bentuk sinyal yang dihasilkan oleh sensor optik adalah signyal digital berbentuk segi empat sehingga langsung dapat digunakan oleh kontrol unit tanpa melalui konventer atau perubah sinyal. Adapun bentuk sinyal yang dihasilkan dengan empat lubang piringan pada mesin empat silinder dengan urutan pengapian 1 – 3 – 4 – 2 adalah seperti pada gambar berikut :

Gambar 7. Bentuk signal (digital) dari sensor optik

Aplikasi pada mesin modern, teknologi sensor optik banyak digunakan. Penggabungan fungsi sinyal lain seperti satu derajat putaran mesin dapat diaplikasikan dengan model menyatu dan penambahan jumlah lubang pada satu piringan di titik diameter yang berbeda. Dengan demikian kontrol unit dapat mengetahui perubahan posisi piston pada setiap derajat putaran mesin sehingga dapat dimanfaatkan untuk pengaturan pemajuan dan pemunduran saat pengapian.

4) Knock sensor

Knock sensor berfungsi mendeteksi getaran blok silinder akibat knocking. Knock sensor dipasang pada blok silinder. Knock sensor terdiri dari piezoelectric element dan sebuah diafragma. Bila terjadi getaran pada blok silinder akibat terjadi knocking maka diafragma pada knock sensor akan bergetar menggerakan piezoelectric element, dan piezoelectric element menghasilkan tegangan, Besar tegangan yang dihasilkan sebanding dengan intensitas getarannya. Signal yang dihasilkan knock sensor selanjutnya dikirim ke ECU, dan ECU akan memperlambat timing ignition berdasarkan intensitas knocking

Gambar 8. Knock sensor dan posisi pemasangannya pada mesin

Gambar 9. Bentuk sinyal Knock Sensor

5) Sensor jenis variable Resistan (Variable resistance type sensors)

Sensor variabel resistan merupakan sesnsor yang dasarnya memiliki karakteristik seperti variable Resistor, yaitu komponen yang memiliki nilai tahanan yang dapat berubah-ubah. Komponen yang termasuk dalam jenis ini adalah seperti Throttle Position Sensor / TPS dan Temperature Sensor.

TPS mempunyai karakteristik seperti Potensio meter dimana nilai tahanannya akan bervariasi sesuai dengan perubahan gerakan. Sensor Posisi Throttle ini terpasang pada katup throttle yang terletak di throttle body.

Gambar 10. Throttle Position Sensor / TPS

Pergerakan katup throttle sebagai indicator beban mesin dapat terdeteksi oleh TPS. Tuas katup throttle dihubungkan dengan TPS, sehingga perubahan pergerakan katup akan mempengaruhi nilai tahanan pada TPS. Tegangan input yang diberikan oleh ECU (pada pin VC) sebesar 5 volt akan dikeluarkan dengan nilai yang berubah-ubah sesuai pergerakan katup. Dengan demikian ECU dapat mengetahui perubahan pembebanan mesin melui signal pada pin/terminal VTA.

Gambar 11. Rangkaian TPS

Output TPS berbentuk data analog. Pada model TPS yang sederhana, terdiri atas 3 pin yang berfungsi sebagai terminal input 5Volt (VC), terminal ground € dan terminal output (VTA). Pada kendaraan yang menggunakan transmisi otomatis, umumnya terdapat terminal tambahan yaitu pin IDL, yang dihubungkan dengan control Transmisi otomatis yang berfungsi untuk memberi sinyal posisi tanpa beban (fully Closed).

Temperature sensor atau sensor temperatur juga merupakan jenis Variable resistan, dimana nilai tahanannya berubah akibat pengaruh temperature sekitarnya. Sensor temperature juga dikenal dengan thermistor.

Penggunaan sensor temperature pada kendaraan dapat dilihat pada pengukur temperature udara masuk yaitu Intake Air Temperature Sensor, Sensor temperature engine (Water temperature Sensor/WTS maupun Engine Oil Temperature /EOT Sensor).

Kebanyakan sensor-sensor tersebut adalah tipe Negative Temperature Coefficient (NTC) thermister. Karakter sensor tipe NTC thermister ini tahanannya akan turun apabila temperatur naik seperti tampak pada gambar berikut

Gambar 12. Hubungan temperatur dan tahanan pada sensor

Intake Air temperature sensor merupakan sensor jenis thermistor yang berfungsi untuk mendeteksi temperature udara yang masuk ke intake manifold. Pemasangan sensor ini adalah pada saluran masuk setelah filter udara atau sebelum throttle valve (menurut arah aliran udara masuk).

Gambar 13. Intake Air Temperature Sensor dan Rangkaian system-nya

Water Temperature Sensor (WTS) berfungsi untuk mendeteksi temperature mesin melalui air pendingin mesin. WTS dipasang dekat rumah thermostat atau saluran pendingin, dimana ujung sensor berhubungan dengan air pendingin. Pemasangan dan Bentuk WTS seperti pada gambar berikut :

Gambar 14. Water Temperatur Sensor dan peletakannya pada mesin

Adapun rangkaian WTS pada kendaran adalah sebagai pada gambar berikut

Gambar 15. Rangkaian Water Temperatur Sensor

Untuk Engine Oil Temperature (EOT) sensor, secara fisik dan karakteristiknya sama dengan WTS. Perbedaaan yang ada adalah peletakannya pada mesin, dimana EOT diletakkan pada jalur oli pelumas sehingga dapat dibaca perubahan tahanan pada EOT sensor yang merepresentasikan temperature mesin.

6) Sensor Tekanan (Pressure Sensor)

Sensor tekanan udara merupakan sensor yang berfungsi untuk mendeteksi tekanan udara pada engine, terutama pada intake manifold. Sensor ini umumnya dikenal dengan Manifold Absolute Pressure Sensor (MAP), yaitu sensor yang bertugas untuk mengukur tekanan absolute pada intake manifold. MAP sensor merupakan piezoresistive silicon chip yang nilai tahanannya berubah akibat perubahan tekanan dan sebuah Integrated Circuit (IC). MAP sensor dihubungkan ke intake manifold menggunakan slang atau pada beberapa model dipasang menempel pada intake manifold.

Gambar 16. Konstruksi, rangkaian, bentuk dan peletakan MAP sensor

Terdapat 3 terminal pada MAP sensor yaitu terminal:

 1. Terminal VC sebagai terminal catu daya dengan tegangan 5 V.

2. Terminal PIM merupakan signal tegangan yang menghambarkan perubahan tekanan intake  3. Terminal E2 sebagai terminal massa

Semakin besar kevakuman (semakin rendah tekanan) pada intake manifold maka tahanan pada MAP sensor lebih tinggi, sehingga tegangan pada terminal PIM semakin kecil. Hubungan tegangan terminal PIM dengan tekanan pada intake manifold adalah sebagai berikut:

Gambar 17. Hubungan tegangan terminal PIM dengan tekanan intake manifold

7) Pengukur aliran udara (Air Flow Measurement)

Komponen pengukur aliran udara pada system manajemen engine yang paling banyak digunakan adalah sensor pengukur massa atau yang dikenal dengan Mass Air Flow (MAF) sensor. Mass Airflow Sensor (MAF) adalah komponen dari sistem induksi udara pada kendaraan yang menggunakan tipe L-jetronik.

Share:

Read More

Prinsip dan Tujuan Sistem Kontrol elektronik

 Prinsip dan Tujuan Sistem Kontrol elektronik

          Tujuan dari penggunaan sistem kontrol pada engine adalah untuk menyajikan dan memberikan daya mesin yang optimal melalui sistem kerja yang akurat yang disesuaikan agar diperoleh emisi gas buang yang seminimal mungkin, penggunaan bahan bakar yang efisien, menghasilkan pengendaraan yang optimal untuk semua kondisi kerja mesin, meminimalkan penguapan bahan bakar serta menyediakan sistem diagnosis untuk mengevaluasi sistem kerja dan kondisi perangkat perangkat pendukungnya bila terjadi permasalahan-permasalahan yang tidak dikehendaki pada sistem ini.

          Pengontrolan Mesin yang dilakukan secara elektronik terdiri atas peralatanperalatan sensor yang secara terus menerus memantau kondisi kerja mesin. Unit pengontrol elektronik yang dikenal dengan ECU bekerja menerima, mengolah, dan mengevaluasi data-data masukan dari berbagai sensor yang terpasang pada engine maupun di tempat lain sesuai kebutuhan. Dengan membandingkan data pada memorinya dan melakukan perhitungan yang akurat, ECU mengaktifkan perangkat-perangkat penggerak/actuator untuk menghasilkan sistem kerja mesin yang baik.

         Proses pembakaran pada motor bensin memerlukan takaran campuran udara dan bahan bakar yang tepat agar menghasilkan pembakaran yang optimal. Campuran yang dikenal sebagai perbandingan udara dan bahan bakar mempunyai kontribusi yang sangat besar terhadap hasil pembakaran. Campuran ini harus berada pada daerah perbandingan yang sesuai yaitu sejumlah 14,7 gram udara membutuhkan 1 gram bensin. Dalam satuan volumetrik, 10.500 liter udara berbanding 1 liter bensin pada tekanan satu atmosfir. Pada perbandingan ini akan dihasilkan tenaga hasil pembakaran yang maksimal dan emisi gas buang yang rendah. Selanjutnya perbandingan 14,7: 1 ini dikenal dengan perbandingan Stoichiometric. (Beberapa ahli menentukan jumlah/besaran yang berbeda-beda yakni pada kisaran antara 14,7 sampai dengan 14,9).

        Perbandingan antara udara dan bahan bakar adalah sebagai bentuk kebutuhan udara yang dikenal sebagai faktor lambda ( λ ). Secara sederhana lambda dapat dirumuskan sebagai perbandingan jumlah udara terpakai atau aktual dengan kebutuhan teoritis atau ditulis sebagai :

        Pada taraf perbandingan ideal/stoichiometric, nilai lambda adalah satu (λ = 1), Apabila campuran kaya/gemuk maka nilai lambda adalah kurang dari satu (λ < 1). Hal ini bermakna paparan udara didalam campuran lebih sedikit dari perbandingan ideal. Sebaliknya apabila paparan udara lebih banyak maka disebut campuran kurus/miskin dengan nilai lambda lebih dari satu satu ( λ > 1). Dengan pengaturan menggunakan sistem kontrol elektronik, campuran ideal dapat diperoleh dalam hampir setiap kondisi kerja mesin.

        Adapun dampak perbandingan campuran pada emisi gas buang adalah sebagai berikut :

* Emisi Carbon Monoksida / CO; Pada kondisi campuran kaya (λ < 1) emisi CO bertambah secara linier terhadap penambahan penggunaan bahan bakar. Pada saat campuran kurus (λ > 1) paparan CO berada pada level yang paling rendah. Apabila terjadi campuran yang tidak seragam misalkan campuran kurus dan gemuk pada masing-masing silinder untuk mesin dengan multisilinder, kadar CO rata-rata yang dihasilkan justru akan berada diatas kondisi λ = 1.

* Emisi HC; Hidrokarbon juga akan semakin bertambah bila konsumsi bahan bakar bertambah. Kadar HC akan rendah pada kondisi λ = 1,1 -1,2. Pada kondisi campuran kaya, kadar HC akan semakin tinggi dimana bahan bakar tidak dapat terbakar sepenuhnya didalam silinder.

* Emisi NO_X ; Tingkat kadar NO_X pada gas buang berlawanan dengan HC dan CO. Campuran yang kurus akan lebih menambah NO_X, karena NO_X berlebihan pada ruang bakar, terutama dengan perbandingan kompresi yang tinggi.

1) Closed Loop Systems

        Closed Loop System adalah model sistem yang dapat mengontrol output yang menjadi umpan balik bagi bekerjanya sistem (sistem kontrol). Contoh pada sistem pengisian, dimana voltage regulator akan melakukan penyetelan otomatis apabila output pengisian tidak sesuai, misal pada saat tegangan output pengisian terlalu rendah, Voltage regulator akan malakukan penyetelan/penyesuaian sehingga output alternator akan bertambah. Contoh lan adalah pada cruise control, Knock kontrol pada sistem engine, Idle speed control, dan closed loop air/fuel ratio corection control. Jadi, apabila ECM mengoreksi campuran udara bahan bakar berdasarkan sensor oksigen atau air fuel ratio sensor, maka sistem kontrol pada mesin disebut menggunakan closed loop.

     Pada sistem cloosed loop Fuel control, ECM melakukan monitor gas buang pada saluran pembuangan untuk memperoleh data kandungan sisa oksigen yang terbuang. Dari data oksigen sensor yang terpasang pada saluran exhaust, ECU memperoleh data tentang hasil pembakaran siklus sebelumnya dan dapat melakukan penyetelan/pengontrolan durasi injeksi untuk siklus pembakaran selanjutnya sesuai dengan perbandingan ideal. Dengan demikian, maka catalytic converter dapat bekerja dengan efisien. Untuk kebutuhan tertentu, seperti saat starting, akselerasi, tenaga maksimum dan mode maksimum efisiensi bahan bakar, kebutuhan campuran udara dan bahan bakar berbeda.

2) Open Loop Systems

        Pada model Open loop System atau sistem loop terbuka, output sistem tidak dimonitor dan sistem tidak melakukan perubahan atau penyetelan berdasarkan output tersebut. Sebagai contoh pada kendaraan tertentu yang menggunakan model ini, produk gas buang tidak dimonitor. Untuk memperoleh campuran yang ideal maupun gas buang yang memenuhi baku mutu, disediakan opsi lain berupa CO adjuster atau Variabel resistor yang dapat disetel untuk memenuhi kebutuhan tersebut.

Secara umum, terdapat tiga kelompok komponen yang terdapat dalam kontrol engine, yaitu :

*  Sensor ; berupa kelompok pendeteksi sinyal untuk membaca data-data kondisi kerja mesin untuk diberikan ke ECU.

*  Unit Kontrol (ECU) sebagai pengolah data dan memberikan perintah ke aktuator sesuai kebutuhan mesin .

*  Actuator merupakan kelompok penggerak/ pelaksana perintah ECU sesuai dengan bagian masing-masing.

Hubungan antara sensor ECU dan Actuator dalam engine management system dapat digambarkan pada bagan berikut :

Gambar. Skema sistem kontrol pada Engine Managemen System (EMS)

Share:

Read More