PENGARUH PENGGUNAAN CATALYTIC CONVERTER TEMBAGA BERLAPIS MANGAN TERHADAP KADAR POLUTAN GAS BUANG MOTOR BENSIN EMPAT LANGKAH

Transkripsi

1 TESIS PENGARUH PENGGUNAAN CATALYTIC CONVERTER TEMBAGA BERLAPIS MANGAN TERHADAP KADAR POLUTAN GAS BUANG MOTOR BENSIN EMPAT LANGKAH Oleh: W A R J U NRP PROGRAM STUDI MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2006

2 PENGARUH PENGGUNAAN CATALYTIC CONVERTER TEMBAGA BERLAPIS MANGAN TERHADAP KADAR POLUTAN GAS BUANG MOTOR BENSIN EMPAT LANGKAH Tesis disusun untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Magister Teknik (MT) di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Oleh: W A R J U NRP Tanggal Ujian : 22 Agustus 2006 Periode Wisuda : Maret 2007 Disetujui oleh Tim Penguji Tesis: 1. Dr. Ir. H. Djoko Sungkono Kawono, M.Eng.Sc (Pembimbing) 2. Prof. Dr. Ir. Ali Altway, M.Sc (Penguji) 3. Ir. Astu Pudjanarsa, M.T. (Penguji) 4. Bambang Sudarmanta, S.T., M.T. (Penguji) Direktur Program Pascasarjana, Prof. Ir. Happy Ratna S, M.Sc., PhD NIP ii

3 PENGARUH PENGGUNAAN CATALYTIC CONVERTER TEMBAGA BERLAPIS MANGAN TERHADAP KADAR POLUTAN GAS BUANG MOTOR BENSIN EMPAT LANGKAH Nama mahasiswa : W a r j u NRP : Pembimbing : Dr. Ir. H. Djoko Sungkono, M.Eng.Sc ABSTRAK Pengurangan polutan CO dan HC dari muffler sepeda motor diupayakan sebesar mungkin. Pada sisi muffler, maka upaya pemakaian katalis amat dianjurkan. Ingin diketahui penggunaan Cu yang dilapisi Mn sebagai katalis yang nampak dapat mengurangi kedua polutan tersebut. Penelitian ini didukung oleh penelitian sebelumnya namun hanya Cu atau Mn saja sebagai katalis. Jenis penelitian yang digunakan adalah penelitian eksperimen. Cara penyelesaian penelitian dengan membandingkan kadar polutan gas buang, unjuk kerja dan sound pressure level (SPL) dari knalpot standar dengan knalpot uji Honda Karisma X 125D. Variabel penelitian adalah 200 gr katalis, dengan tambahan Mn sebanyak 30 gr sampai 100 gr, disertai pengurangan Cu sesuai dengan penambahan Mn. Metode pengujian dilakukan pada kecepatan berubah pada beban penuh (full open throttle valve). Hasil penelitian menunjukkan bahwa komposisi katalis 110 gr Cu + 90 gr Mn merupakan komposisi terbaik dalam menurunkan kadar polutan gas buang dan menaikkan unjuk kerja mesin. Kadar polutan CO turun 96,36% pada A/F 15 dengan range temperatur o C. Kadar Polutan HC turun 94,74% pada A/F 14,7 dengan range temperatur o C. Torsi naik 38,37% pada putaran sekitar 9000 rpm. Daya naik 37,43% pada putaran sekitar 9000 rpm. Sfc turun 33,45% pada putaran sekitar 9000 rpm. Bmep naik 38,37% pada putaran sekitar 9000 rpm. Effisiensi thermal naik 50,27% pada putaran sekitar 9000 rpm. Komposisi katalis 170 gr Cu + 30 gr Mn merupakan komposisi terbaik terhadap SPL. SPL naik 3,7% jika dibandingkan dengan kelompok kontrol 1 (standar). Kata kunci: catalytic converter, 200 gr katalis, polutan gas buang, unjuk kerja, dan sound pressure level (SPL). iii

4 THE INFLUENCE OF CUPRUM COATED MANGANESE CATALYTIC CONVERTER USE TOWARDS THE EXHAUST POLLUTANT CONCENTRATION OF FOUR STROKE GASOLINE ENGINE VEHICLE Name : W a r j u NRP : Under the supervision : Dr. Ir. H. Djoko Sungkono, M.Eng.Sc ABSTRACT The effort to reduce CO and HC pollutants from motorcycle muffler is continuously attempted. On muffler side, the effort to use catalyst is highly recommended. The use of Cu coated Mn as a catalyst which seems to decrease both pollutants is investigated. This research is supported by previous researches but only use Cu and Mn as the catalysts. This is an experimental research. It is conducted by comparing the exhaust pollutant concentration, the performance, and sound pressure level (SPL) from standard muffler with the tested muffler of Honda Karisma X 125D. The research variable is 200 grams catalyst, added with 30 to 100 grams Mn, accompanied with Cu decrease in accordance with Mn addition. Experiment method is carried out at variable speed at full open throttle valve. The research result shows that the catalyst composition of 110 grams Cu + 90 grams Mn is the best composition in decreasing the exhaust pollutant concentration and increasing engine performance. CO exhaust pollutant concentration decreases up to 96,36% at A/F 15 with temperature range 273 o o C. HC exhaust pollutant concentration decreases up to 94,74% at A/F 14,7 with temperature range 240 o o C. The torque increases up to 38,37% at 9000 rpm. The power increases up to 37,43% at 9000 rpm. Specific fuel consumption decreases up to 33,45% at 9000 rpm. Break mean effective pressure increases up to 38,37% at 9000 rpm. Thermal efficiency increase up to 50,27% at 9000 rpm. Catalyst composition of 170 grams Cu + 30 grams Mn is the best composition towards SPL. The SPL increases 3,7% if compared to that of the control group 1 (standard). Keywords: catalytic converter, 200 grams catalysts, exhaust pollutant, performance, and sound pressure level (SPL). iv

5 KATA PENGANTAR Segala puja dan puji syukur kehadirat Allah SWT, karena berkat limpahan rahmat, hidayah, inayah dan ridho-nya, penulis dapat menyelesaikan tesis ini. Walaupun rintangan begitu besar menghadang, antara tugas dan tanggungjawab sebagai tenaga pengajar, pada akhirnya masih ada waktu yang tersisa untuk menyelesaikan tesis ini. Dalam tesis ini, diteliti dan dibahas tentang pengaruh penggunaan catalytic converter tembaga berlapis mangan terhadap kadar polutan gas buang motor bensin empat langkah. Keberhasilan penulisan tesis ini tentu tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Dr. Ir. H. Djoko Sungkono K, M.Eng.Sc. selaku dosen pembimbing yang selalu memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis. 2. Bapak Prof. Dr. Ir. Ali Altway, M.Sc. selaku dosen penguji yang selalu memberikan saran dan arahan kepada penulis. 3. Bapak Ir. Astu Pudjanarsa, M.T. selaku dosen penguji yang selalu memberikan saran dan arahan kepada penulis. 4. Bapak Bambang Sudarmanta, S.T., M.T. selaku dosen penguji yang selalu memberikan saran dan arahan kepada penulis. 5. Ibunda dan Ayahanda, kakak dan adik, Siti Badriyah, Waridi, dan Sri Wahyuni yang telah memberikan bantuan dan dorongan, baik moril maupun materiil demi selesainya tesis ini. v

6 6. Bapak Suwito Sumargo, Direktur GBT Laras Imbang yang telah memberikan beasiswa bantuan dana penelitian dan peminjaman instrumen penelitian. 7. Bapak Nardi, Supervisor GBT Laras Imbang atas bantuannya selama penelitian. 8. Ibu Prof. Ir. Happy Ratna S., M.Sc., PhD, Direktur Program Pascasarjana Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya. 9. Bapak Ir. Agus Susilo, Direktur Sigma Training Center (STC) atas bantuannya dalam proses pelapisan mangan di pabrik. 10. Saudara Andi Sanata, S.T. dan Mohamad Hakam, S.T. selaku teman se-tim peneliti catalytic converter atas kerjasamanya selama ini. 11. Bapak Ir. Djarwo selaku teman sekerja di Jurusan Teknik Mesin FT Unesa atas bantuannya selama ini. 12. Bapak Drs. H. Sukiyat, S.H., M.Si, Rektor Universitas Gresik (Unigres) atas pemberian ijinnya kepada penulis untuk studi lanjut. 13. Bapak Drs. Ir. I Wayan Susila, M.T, Dekan Fakultas Teknik Unesa yang selalu mendorong penulis untuk studi lanjut. 14. Teman-teman dosen dan teknisi di lingkungan Jurusan Teknik Mesin FT Unesa. 15. Teman-teman S-1 di Laboratorium Bahan Bakar dan Motor Pembakaran Dalam Jurusan Teknik Mesin FTI ITS. 16. Teman-teman di Program Pascasarjana Prodi S-2 Teknik Mesin FTI ITS. 17. Bapak Dr.Ing. Ir. I Made Londen Batan, M.Eng selaku Koordinator Prodi S-2 Teknik Mesin FTI ITS. 18. Bapak Ir. Yusuf Kaelani, M.Eng.Sc. selaku Sekretaris Prodi S-2 Teknik Mesin FTI ITS. vi

7 19. Mbak Aulia dan Bapak Sumiadi selaku staf administrasi Prodi S-2 Teknik Mesin FTI ITS. 20. Bapak Dr.Ing. Herman Sasongko selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin FTI ITS. 21. Dosen pengajar di lingkungan Prodi S-2 Teknik Mesin FTI ITS. 22. Kekasihku Dian Novianti, S.Si yang selalu memberikan bantuan dan dorongan hingga selesainya tesis ini, dan 23. Pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu di sini. Penulis menyadari bahwa tesis ini jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, kritikan dan saran sangat diharapkan demi sempurnanya tesis ini. Akhirnya, hanya Allah SWT yang mampu memberi petunjuk dan imbalan kepada kita semua. Semoga tesis ini selalu bermanfaat bagi kita semua. Amien. Surabaya, Agustus 2006 Penulis vii

8 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i HALAMAN PENGESAHAN... ii ABSTRAK... iii ABSTRACT... iv KATA PENGANTAR... v DAFTAR ISI... viii DAFTAR TABEL... xiv DAFTAR GAMBAR... xv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian BAB II KAJIAN PUSTAKA Prinsip Kerja Motor Empat Langkah Pembakaran pada Motor Bensin Siklus Aktual Motor Bensin Empat Langkah Sifat-sifat Udara Kering viii

9 2.2.3 Reaksi Pembakaran Proses Pembakaran pada Motor Pembakaran Dalam Proses Pembakaran Normal Proses Pembakaran Tidak Normal Polusi Udara Polusi Udara dari Sektor Transportasi Masalah Kebisingan Emisi Gas Buang Motor Bensin Perbandingan Udara dan Bahan Bakar Air-Fuel Ratio (AFR) Lambda (λ Proses Pembakaran dalam Motor Bensin Sumber Utama Emisi Gas Buang pada Kendaraan Analisis Emisi Gas Buang Motor Bensin Karbon Monoksida (CO) Hidrokarbon Nitrogen Oksida (NOx) Sistem Saluran Gas Buang Kendaraan Bermotor Muffler Teori Dasar Perancangan Exhaust Teori Dasar Peredaman Suara Usaha Pengontrolan Emisi Gas Buang Catalytic Converter...52 ix

10 Jenis-jenis Catalytic Converter Three-Way Catalytic Converter Temperatur Catalytic Converter Katalis Katalis Permukaan Katalisis Logam Energi Aktivasi dan Katalisis Kecepatan Reaksi untuk Reaksi Katalis Heterogen Sifat-sifat Tembaga (Cu) Sifat-sifat Mangan (Mn) Peneliti Catalytic Converter Sebelumnya Parameter Unjuk Kerja pada Motor Pembakaran Dalam Torsi (T) Daya Poros atau Daya Efektif (P) Tekanan Efektif Rata-Rata (bmep) Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (sfc) Efisiensi Thermal ( th ) A/F (Air-Fuel Ratio) Prinsip Kerja Flow Meter untuk aliran Internal Plat Orifice BAB III METODE PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Waktu x

11 3.1.2 Tempat Tipe Penelitian Rancangan Penelitian Menentukan Kelompok Kontrol Menentukan Kelompok Eksperimen Instrumen Penelitian Persiapan Pengujian Persiapan Mesin dan Alat Ukur Pengukuran Dimensi Knalpot Standar Honda Karisma X 125D Tahun Perancangan Straight Trough Muffler Perancangan Sekat/ Baffle Perancangan Aktif Metal Katalis Perancangan Penempatan Catalytic Converter pada Saluran Gas Buang Honda Karisma X 125D Metode Pengujian Prosedur Pengujian Teknik Analisis Data BAB IV HASIL DAN ANALISIS DATA Data Hasil Pengujian Hasil Perhitungan Unjuk Verja Torsi (T) Daya Poros (P) xi

12 4.2.3 Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (sfc) Tekanan Efektif Rata-Rata Effisiensi Thermal Perbandingan Udara dan Bahan Bakar (AFR) Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Kadar Polutan CO dan HC Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Kadar Polutan CO Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Kadar Polutan HC Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Unjuk Kerja Mesin Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Torsi Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Daya Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Sfc Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap bmep Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Effisiensi Termal Analisis Kemampuan Katalis Tembaga Berlapis Mangan terhadap Tingkat Kebisingan (SPL) xii

13 4.6 Unjuk Kerja Mesin dengan Katalis 110 gr Cu + 90 gr Mn BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN Lampiran I Data Hasil Pengujian Lampiran II Hasil Perhitungan Data Lampiran III Persentase Penurunan Kadar Polutan Gas Buang dan Kenaikan Unjuk Kerja Mesin Lampiran IV Dokumentasi Penelitian xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar Halaman 2.1 Prinsip Kerja Motor Empat Langkah : a) Langkah Hisap; b) Langkah Kompresi; c) Langkah Usaha; d) Langkah Buang Siklus Otto Pembakaran dan Perubahan Tekanan di dalam Silinder Motor Bensin Komposisi Emisi Gas Buang Mesin Bensin Proses Pembakaran Sempurna Mekanisme Pembentukan CO, HC, NO pada Motor Bensin Bagian Kendaraan Penghasil Polutan Hubungan λ dengan Konsentrasi CO Hubungan λ Factor terhadap Kadar HC Hubungan Kadar NOx dengan Lambda (λ ) Sistem Saluran Gas Buang dengan Catalytic Converter Muffler Komposisi Gas Buang pada Proses Reaksi Catalytic An Enlarged Section View a Catalytic Converter Honeycomb Active Passageways Konstruksi Catalytic Converter Efisiensi Konversi CO dan HC Berhubungan dengan Temperatur xv

15 Gas Buang Efisiensi Konversi CO, HC dan NOx Berhubungan dengan Perbandingan Campuran Udara dan Bahan bakar Skema Tahap Reaksi Katalis Heterogen Kerja Poros Motor Hubungan Putaran mesin dengan Unjuk Kerja pada Motor Pembakaran Dalam Analisis Volume atur pada Aliran Internal Geometri Orifice dan Lokasi Pressure Taps Flow Coefficient untuk Orifice Konsentris dengan Corner Tap Flow Chart Penelitian Skema Instrumen Penelitian Knalpot Standar Honda Karisma X 125D Potongan Knalpot Standar Honda Karisma X 125D Dimensi Knalpot Standar Honda Karisma X 125D Desain Pipa Straight Trough Muffler dalam Knalpot Honda Karisma X 125D Aktif Metal Katalis Tembaga yang Berbentuk Serabut Aktif Metal Katalis Tembaga yang telah Dilapisi Mn Posisi Catalytic Converter pada Saluran Gas Buang Honda Karisma X 125D Grafik Hubungan antara Polutan CO terhadap Putaran Engine xvi

16 4.2 Grafik Hubungan antara AFR Kelompok Kontrol dan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Polutan CO Kelompok Kontrol I, II, III terhadap Putaran Engine Grafik Temperatur Knalpot Kelompok Kontrol III terhadap Putaran Engine Posisi Pengukuran Temperatur Knalpot Grafik Hubungan antara Kadar Polutan CO Kel. Kontrol I, III, dan Kel. Uji II terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Energi Aktivasi dengan Reaction Progress Grafik Hubungan antara Temperatur I Knalpot Kel. Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Temperatur II Knalpot Kel. Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Temperatur III Knalpot Kel. Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Temperatur IV Knalpot Kel. Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Temperatur V Knalpot Kel. Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Polutan HC terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Polutan HC Kelompok Kontrol I, II, dan xvii

17 III terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Kadar Polutan HC Kelompok Kontrol I, III, dan Kelompok Uji II terhadap Putaran Engine Foto Kondisi Katalis 110 gr Cu + 90 gr Mn Sebelum Pengujian Foto Kondisi Katalis 110 gr Cu + 90 gr Mn Setelah Pengujian Foto Kondisi Katalis 170 gr Cu + 30 gr Mn Sebelum Pengujian Foto Kondisi Katalis 170 gr Cu + 30 gr Mn Setelah Pengujian Foto Kondisi Straight Through Pipa Tembaga Sebelum Pengujian Foto Kondisi Straight Through Pipa Tembaga Setelah Pengujian Grafik Hubungan antara Torsi terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Torsi Kelompok Kontrol I, II, dan III terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Torsi Kelompok Kontrol I, III, dan Kelompok Uji II terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Daya terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Daya Kelompok Kontrol I, II, dan III terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Daya Kelompok Kontrol I, III, dan Kelompok Uji II terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Sfc terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Sfc Kelompok Kontrol I, II, dan III terhadap Putaran Engine xviii

18 4.30 Grafik Hubungan antara Sfc Kelompok Kontrol I, III, dan Kelompok Uji II terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Bmep terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Bmep Kelompok Kontrol I, II, dan III terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Bmep Kelompok Kontrol I, III, dan Kelompok Uji II terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Effisiensi Thermal terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Effisiensi Thermal Kelompok Kontrol I, II, dan III terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Effisiensi Thermal Kelompok Kontrol I, III, dan Kelompok Uji II terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara SPL terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara SPL Kelompok Kontrol I, II, dan III terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Tekanan I Knalpot Kelompok Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Tekanan II Knalpot Kelompok Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Tekanan III Knalpot Kelompok Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Tekanan IV Knalpot Kelompok Kontrol III xix

19 dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Tekanan V Knalpot Kelompok Kontrol III dengan Kelompok Uji terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara SPL Kelompok Kontrol I, III, dan Kelompok Uji II terhadap Putaran Engine Grafik Hubungan antara Unjuk Kerja Katalis 110 gr Cu + 90 gr Mn terhadap Putaran Engine xx

20 DAFTAR TABEL Tabel Halaman 1.1 Pertumbuhan Sepeda Motor di Surabaya Kandungan Massa Udara Kering Fraksi Volume Kimiawi Udara Kering yang Bersih Sumber Polusi Udara Ambang Batas Baku Mutu Emisi Intensitas Kebisingan Komposisi Gas Buang Motor Bensin Persentase Penurunan Polutan CO Kelompok Kontrol dan Kel. Uji AFR Kelompok Kontrol dan kelompok Uji Temperatur Knalpot Kelompok Kontrol III Persentase Penurunan Polutan HC Kelompok Kontrol dan Kel. Uji Persentase Kenaikan Torsi Kelompok Kontrol dan Kelompok Uji Persentase Kenaikan Daya Kelompok Kontrol dan Kelompok Uji Persentase Penurunan Sfc Kelompok Kontrol dan Kelompok Uji Persentase Kenaikan Bmep Kelompok Kontrol dan Kelompok Uji Persentase Kenaikan Eff. Thermal Kel. Kontrol dan Kelompok Uji Persentase Kenaikan SPL Kelompok Kontrol dan Kelompok Uji xiv

21 Grafik Unjuk Kerja Engine dengan Katalis 110 gr Cu + 90 gr Mn Torsi (lb.ft) SPL (db) Daya (hp) Sfc (kg/hp.jam) CO (%) HC (ppm) Bmep (kg/m) Effisiensi Thermal (%) Putaran Engine (rpm) Bmep (kg/m 2 ) Torsi (kg.m) Daya (hp) SPL (db) Sfc (kg/hp.jam) Eff. Thermal (%) CO (%) HC (ppm)