BAB III METODELOGI PENELITIAN 3.1. Kerangka Penelitian Dalam penelitian catlytic converter terdapat beberapa tahapan yang dilakukan, berikut adalah diagram alur kerangka dalam penelitian. Awal Studi Pustaka Persiapan Penelitian Pembuatan Katalis Pembuatan Catalytic Converter Penyiapan Alat dan Bahan Tidak Percobaan Dengan Catalytic Converter Dan Tanpa Catalytic Converter CO, HC Tereduksi Pengujian dan Pengambilan data Ya Tanpa Catalytic Dengan Catalytic Analisa Data Refrensi Kesimpulan Selesai Gambar 3.1 Diagram alur metodelogi penelitian. 27
3.2. Studi Pustaka Studi pustaka dilakukan guna memperdalam bagian yang akan diteliti, sebagai piranti penunjang penelitian guna mendapatkan hasil yang maksimal. Studi pustaka digunakan untuk membandingkan hasil penelitian atau mengembangkan penelitian terdahulu dan literature yang berhubungan dengan topik penelitian. 3.3. Persiapan Penelitian Persiapan penelitian dibagi menjadi 3 yaitu instrumen penelitian, penyiapan alat-alat penelitian, dan pemeriksaan mesin uji. 3.3.1. Instrumen Penelitian Instrumen penelitian meliputi alat ukur dan alat uji yang digunakan untuk pengujian dan pengambilan data. Instrument yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3.2. (Murdo,P, 2013) Gambar 3.2 Skema mesin pengujian Catalytic Converter. Dengan menggunakan engine stand sebagai sumber polutan. Pada pipa aliran gas buang di pasang catlytic converter dengan sebuah orifice plate serta 2 buah thermocouple pada input dan output dari catlytic converter. Hal bertujuan untuk dalam menganalisa performa dan sistem kerja catlytic converter. Empat buah spiral tembaga dipasang masing-masing 2 pada input dan output catlytic converter serta 2 pada orifice plate. Spiral berdiameter 3 mm dipasang untuk mempercepat pelepasan panas atau kalor dari emisi gas buang 28
yang kemudian diteruskan ke manometer untuk mengetahui beda tekanan pada catlytic converter dan beda tekanan pada orifice plate. Skema pemasangan alat ukur dan catalytic converter dapat dilihat pada gambar 3.3 dan keterangan dapat dilihat pada tabel 3.1. Gambar 3.3 Skema pemasangan alat ukur dan catalytic converter. Tabel 3.1 Keterangan gambar 3.3 No 1 Plat orifice Keterangan 2 Thermocouple T 2 3 Thermocouple T 1 4 Pipa manometer pada orifice 5 Pipa manometer pada orifice 6 Pipa manometer pada catalytic converter 7 Pipa manometer pada catalytic converter 3.3.2. Penyiapan Alat-alat Penelitian Alat-alat pengujian yang digunakan terdiri dari beberapa alat antara lain : 1. Mesin Uji Mesin uji yang digunakan adalah engine stand lab PKM FT. Universitas Muhammadiyah Semarang dengan spesifikasi sebagai berikut Merk : Toyota Type : 5K Tahun : 1992 Volume silinder : 1456 CC Jumlah silinder : 4 silinder Bahan bakar : Bensin Sistem Pembakaran : Karburator 29
Gambar 3.4 Engine stand. 2. Gas Analyzer Dalam pengujian ini menggunakan Gas Analyzer Lab. FT. Universitas Muhammadiyah Semarang dapat dilihat pada gambar 3.5 dengan spesifikasi sebagai berikut. Merk / type : Qrotech 402 Measuring Item : CO, HC, CO 2, O 2, Lamda, AFR, Nox. Measuring Range : CO = 0.00 9.99% HC = 0 9999 ppm CO 2 = 0.0 20.0% O 2 = 0.0 25.0% λ = 0.000 2.000 AFR = 0.0 99.0% Fuel Type : Gasoline, LPG, CNG, Alcohol Hcv and Ocv conversation. Warming Uptime : About 2 8 minutes. Power Source : AC 110 Volt or AC 220 Volt ± 10% 60 Hz. 30
Gambar 3.5 Emission analyzer. 3. Thermocouple dan Thermodisplay Thermocouple digunakan untuk mengetahui temperatur gas buang dari exhouse manifold masuk ke catlytic converter dan temperatur gas keluar catlytic converter.thermocouple yang digunakan adalah tipe K dengan range pengukuran 0 C sampai dengan 1200 C. Sedangkan thermo display menggunakan merk Autonics model T4YI dengan sensor thermocouple tipe K menghasilkan range 0 C - 12000 C. Thermocouple dan thermo display dilihat pada gambar 3.6. Gambar 3.6 Thermocouple dan thermo display (Murdo,P, 2013). 4. Digital Tachometer Digital tachometer merk Krisbow KW06-302 dengan 5 digit display dan akurasi 0,05% + 1 digit digunakan untuk mengetahui putaran mesin pada tiap perubahan variasi putaran dilihat pada gambar 3.7. 31
Gambar 3.7 Digital tachometer. 5. Stopwatch Alat ini digunakan untuk menentukan waktu yang digunakan pada tiap pengambilan data. Alat tersebut dapat dilihat pada gambar 3.8. Gambar 3.8 Stopwatch. 6. Sound Level Meter Alat ini digunakan untuk pengukuran kebisingan suara pada tiap pengambilan data. Alat tersebut dapat dilihat pada gambar 3.9. Gambar 3.9 Sound Level Meter. 32
7. Orifice Plate Flowmeter Dalam pengujian ini orifice plate ditempatkan pada posisi yang akan diukur laju aliran masanya yaitu pada jarak 1 m setelah catlytic converter. Perbedaan tekanan dari dua titik sesudah dan sebelum melewati orifice kemudian akan disubstitusikan menggunakan persamaan kontinyuitas dan bernouli barulah laju aliran masa diperoleh. Berikut gambar orifice plate serta dimensinya, pada gambar 3.10. D = 34 mm Tebal plat = 3,4 mm d = 10,2 mm β = 0,3 Tebal pinggiran dalam = 0,68 mm 45 Sudut Lereng Gambar 3.10 Orifice plate dan dimensinya. 8. Manometer Pipa U Manometer ini digunakan untuk mengetahui beda tekanan yang terjadi pada catlytic converter serta mengetahui laju aliran massa yang terjadi pada orifice plate. Manometer pipa U dapat dilihat pada gambar 3.11. 33
( h Pada catalytic converter) ( h Pada orifice) (T 1 ) (T 2 ) Gambar 3.11 Manometer pipa U. 3.2.3. Pemeriksaan Mesin Uji Sebelum pengujian emisi gas buang berlangsung, terlebih dahulu mempersiapkan kondisi standart mesin. Adapun kegiatan yang dilakukan adalah : 1. Menganti minyak pelumas dan memeriksa adanya kebocoran-kebocoran. 2. Membersihkan saringan udara. 3. Service karburator. 4. Pemeriksaan sistem pengapian. 5. Pemeriksaan radiator. 6. Pemeriksaan accumulator. 3.3. Pelapisan Tembaga (Cu) dengan Nikel (Ni) Pelapisan secara listrik electroplating adalah elektrodeposisi pelapisan atau coating logam melekat ke elektroda untuk menjaga substrat dengan memberikan permukaan dengan sifat dan dimensi berbeda dari pada logam basisnya tersebut (Anton J. H dan Tomijiro K,1995 : 25), sedangkan pengertian electroplating yang lain adalah suatu proses pengerjaan permukaan material baik logam maupun bukan logam dan upaya meningkatkan sifat-sifat material tersebut (Saleh, A. Arsianto, 1995 : 3). 34
Di masyarakat umum, elektroplating yang dikenal sebagai finishing logam ialah vernikel dan verkhrom. Hasil barang garapannya pun lebih indah, memikat, berkilau, dan lebih awet.yang jamak dimanfaatkan untuk plating / coating dekoratif-protektif ini ialah tembaga, nikel dan chrom. Dalam teknologi pengerjaan logam, proses electroplating dikategorikan sebagai proses pengerjaan akhir (metal finishing). 3.4. Pembuatan Material Catalytic Converter Pembuatan bahan penelitian ini terdiri dari dua bagian utama yaitu konstruksi bagian luar dan konstruksi bagian dalam catlytic converter. Konstruksi bagian dalam berupa katalis sedangkan bagian luar berupa rumah atau casing. 3.4.1. Katalis Material katalis bagian dalam terbuat dari tembaga (Cu) dan tembaga berlapis nikel (Cu*Ni) yang berbentuk plat lembaran dengan ketebalan 0.05 mm diameter 10 cm. Plat kemudian dipotong memanjang dengan lebar 2 cm dan dibentuk sesuai dengan bentuk yang telah direncanakan. Katalis tersebut dapat dilihat pada gambar 3.12. Gambar 3.12 Bentuk katalis. 35
3.4.1.1. Tembaga (Cu) Tembaga merupakan salah satu unsur logam transisi yang berwarna coklat kemerahan terlihat pada gambar 3.13. Tembaga adalah salah satu dari sederetan logam yang mempunyai termal ataupun electric conductivity terbaik. Tembaga adalah termasuk logam mulia dengan logam yang cukup lama dikenal manusia. Ia mempunyai sifat-sifat tahan karat non asam, mampu mengalirkan panas serta listrik dengan baik (Suharto, 1995). Gambar 3.13 Katalis Tembaga (Cu). Karena tembaga mempunyai sifat mampu mengalirkan panas dan listrik yang baik, maka ia banyak dipakai sebagai kondensor dan alat-alat pemanas. Tembaga mempuyai titik lebur pada 1083 C, titik didih 2567 C, kapasitas panas 0,385 j/g K serta mempunyai kemampuan St 37 (Sunardi, 2006). 3.4.1.2. Nikel (Ni) Nikel adalah logam putih perak yang keras. Nikel ditemukan oleh Cronstedt pada tahun 1751 dalam mineral yang disebutnya kupfer nickel (nikolit). Nikel mempunyai unsur kimia metalik dalam tabel periodik yang memiliki simbol (Ni) dan nomor atom 28. Nikel bersifat liat,dapat ditempah logam ini melebur pada 1455 o C, dan bersifat magnetis (Vogel,1984). Nikel amat popular dalam plating, terutama pada sistem plating tembaga nikel-chrom (dekoratif/protektif) di ilustrasikan pada gambar 3.14 Nikel merupakan logam plating yang paling peka responnya atas aditif-aditif. Riwayat 36
plating nikel (vernikel) sudah amat kaya. Deposit hasil plating nikel pertama yang baik ialah oleh Bottger tahun 1842. Gambar 3.14 Tembaga berlapis Nikel (Cu*Ni). 3.4.2. Casing Casing merupakan bagian luar dari catlytic converter yang dibuat berbentuk tabung elips dan dibuat dari plat stainless steel dengan tujuan agar dapat terhindar dari korosi. Casing pada gambar 3.15 dibuat memiliki penutup yang dapat dibuka dan ditutup dengan baut hal tersebut bertujuan untuk memudahkan dalam penambahan jumlah substrat serta penggantian katalis dan keterangan gambar 3.15 dapat dilihat pada tabel 3.2. 5 2 1 3 4 Gambar 3.15 Casing catlytic converter 37
Tabel 3.2 Keterangan gambar 3.15 No Keterangan 1 Katalis Tembaga (Cu) 2 Katalis Tembaga berlapis Nikel (Cu*Ni) 3 Input Catalytic converter 4 Output Catalytic converter 5 Penutup Casing Catalytic converter 3.5. Percobaan Percobaan dilakukan bertujuan mengetahui emisi gas buang pada montor bensin dan mempersiapkan sebelum melakukan penelitian serta memahami pembacaan alat ukur. 3.6. Pemanasan Mesin 1. Pemanasan Mesin Tujuan dilakukan pemanasan mesin adalah mempersiapkan kondisi mesin uji supaya tercapai kondisi kerjanya. Adapun langkah-langkahnya adalah sebagai berikut. a) Mengidupkan mesin uji dalam kondisi idle salama 5 menit. b) Memeriksa kondisi dan memastikan semua instrumen pendukung berfungsi dengan baik. 2. Kalibrasi Gas Analyzer Setelah mesin dalam kondisi siap uji kemudian tahap selanjutnya adalah melakukan kalibrasi gas analyzer. Dengan langkah-langkah sebagai berikut : a) Gas analyzer dinyalakan, setelah sebelumnya menghubungkan jack power dengan sumber listrik. b) Masukkan sensor gas analyzer kedalam mufler exhaust. c) Tekan tombol enter untuk memulai kalibrasi gas analyzer selama 200 detik secara otomatis. d) Setelah kalibrasi awal selesai, secara otomatis gas analyzer akan melakukan zero kalibrasi. e) Dalam 20 detik kalibrasi zero selesai, kemudian tekan tombol enter. 38
3.7. Pengujian Catalytic Converter Pengujian dilakukan untuk mengetahui penurunan emisi gas buang dan mempersiapkan sebelum melakukan pengambilan data serta memahami pembacaan alat ukur. 3.8. Tahap Pengujian Pengujian ini dibagi dalam tiga tahapan, yaitu pengujian tanpa catalytic converter, pengujian dengan menggunakan catlytic converter dengan katalis tembaga (Cu) selang-seling dengan tembaga berlapis nikel (Cu*Ni), dan yang terakhir yaitu pengujian ketahanan catlytic converter tembaga (Cu) selang-seling dengan tembaga berlapis nikel (Cu*Ni) selama 8 jam. 1. Tanpa Catlytic Converter Pengujian bertujuan untuk megetahui jumlah emisi gas buang yang dikeluarkan oleh mesin uji. Data yang diperoleh dari pengukuran ini digunakan sebagai pembanding dengan pengukuran menggunakan catlytic converter dengan langkah-langkah sebagai berikut: a) Mesin dalan keadaan menyala dalam kondisi idle dan sensor gas analyzer telah dimasukkan kedalam mufler exhaust. b) Stopwatch dijalankan untuk batasan pengambilan seluruh data setiap 1 menit dan diambil sebanyak tiga kali. c) Dalam kondisi mesin idle catat seluruh data yang tertera dalam display sesuai waktu yang telah ditetapkan. d) Ketika telah selesai pada kondisi rpm idle, gunakan digital tachometer untuk pengaturan tiap rpm mesin yaitu 1000 rpm, 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm, dan 3000 rpm. lalu turun kembali 2500 rpm, 2000 rpm, 1500 rpm, 1000 rpm dan idle. e) Dengan langkah yang sama catat seluruh data pada tiap rpm sebanyak tiga kali pada tiap menitnya. 39
2. Pengujian Catalytic Converter Tembaga berlapis Nikel posisi Selang-seling Tiga variasi catalytic converter, katalis 4 d CCN, 4 b CNN, dan - 8 s CNN, dengan bentuk katalis seperti pada gambar 3.16a, 3.16b, 3.16c. Gambar 3.16a 4 d CCN Gambar 3.16b 4 b CCN Gambar 3.16c 8 s CCN Setelah melakukan pengujian tanpa catalytic converter selesai maka pengujian berikutnya dengan menggunakan catalytic converter dengan langkahlangkah sebagai berikut : 40
a) Pasang catalytic converter pada knalpot dengan variasi posisi katalis (variasi seperti gambar 3.16a, variasi seperti gambar 3.16b dan variasi seperti gambar 3.16c) b) Lapisi sambungan catalytic converter dengan menggunakan packing c) knalpot pada tiap sambungannya supaya tidak bocor kemudian kencangkan dengan baut dan mur, pastikan tidak ada kebocoran. d) Biarkan mesin menyala idle untuk memanasi catlytic converter hingga mencapai suhu berkisar 100 C (T1). e) Catat seluruh data hasil pengukuran sebanyak tiga kali untuk tiap menitnya. f) Setelah data idle didapatkan naikan perlahan rpm mesin dengan bantuan digital tachometer menjadi 1000 rpm, 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm, 3000 rpm turun kembali 2500 rpm, 2000 rpm, 1500 rpm, 1000 rpm, idle. g) Catat data sebanyak tiga kali permenitnya untuk setiap rpm. h) Setelah pengujan katalis 4 d CCN selesai, dilanjutkan dengan pengujian katalis 4 b CCN seperti gambar 3.16b, dan 8 s CCN pada gambar 3.16c dengan langkah pengujian a sampai g. 3. Pengujian Ketahanan Pemasangan catlytic converter 8 s CCN seperti pengujian ke 2 untuk 8 s CCN. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui ketahan dari catalytic converter katalis tembaga selang-seling dengan tembaga berlapis nikel. Pengujian dilakukan selama 8 jam non stop pada putaran mesin konstan 1500 rpm dan tanpa beban pada engine stand. Langkah-langkah sebagai berikut : a) Pasang catalytic converter pada knalpot dengan variasi posisi 8 s CCN seperti gambar 3.16c. b) Warming up engine stand pada kondisi rpm idle. c) Naikkan putaran mesin menjadi 1500 rpm konstan. d) Tunggu mesin stabil pada putaran tersebut, kemudian catat hasil awal pengujian. e) Tahan mesin pada kondisi dan putaran tersebut (1500 rpm). ambil kembali data pengujian setiap 1 jam selama 8 jam total waktu pengujian. Gunakan stopwatch untuk membantu mengetahui waktu tempuh pengujian. 41
3.9. Variabel Penelitian Pada penelitian ini terdapat tiga variabel pengujian yaitu variabel tetap, variable berubah, variable respon. 3.9.1. Variabel Tetap a. Jenis bahan bakar yang digunakan adalah Bensin Premium. b. Tebal plat tembaga dan tembaga berlapis nikel adalah 0.05 mm. c. Bentuk casing catalytic converter. 3.9.2. Variabel Berubah a. Variasi putaran mesin dari putaran idle, 1000 rpm, 1500 rpm, 2000 rpm, 2500 rpm, 3000 rpm, turun kembali 2500 rpm, 2000 rpm, 1500 rpm, 1000 rpm dan idle. b. Jumlah variasi katalis tembaga (Cu) dan tembaga berlapis nikel (Cu*Ni) yang digunakan 4 d CNN, 4 b CNN dan 8 s CCN. 3.9.3. Variabel Respon Meliputi konsentrasi emisi gas HC, CO, temperature, tekanan dan laju aliran massa tanpa catlytic converter dan setelah menggunakan catlytic converter tembaga (Cu) selang-seling dengan tembaga berlapis nikel (Cu*Ni). 42
Tabel 3.3 Pengambilan data dalam pengujian catalytic converter PUT CC Tanpa CC 4 d CCN 4 b CCN 8 s CCN idle CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 1000 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 1500 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 2000 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 2500 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 3000 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 2500 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 2000 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 1500 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC 1000 CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC idle CO,HC CO,HC CO,HC CO,HC Keterangan : 4 d CCN = 4 Katalis posisi depan tembaga (Cu) selang-seling nikel (Cu*Ni) 4 b CCN = 4 Katalis posisi belakang tembaga (Cu) selang-seling nikel (Cu*Ni) 8 s CCN = 8 Katalis posisi selang-seling tembaga (Cu) dan (Cu*Ni) 3.10. Analisis Data Dapat dilihat dalam tabel 3.3 di atas pengambilan data yang diperoleh akan dianalisa secara deskriptif dengan melalui hasil tampilan grafik-grafik yang ada untuk mengetahui seberapa besar pengaruh variasai-variasi yang dilakukan pada catalytic converter terhadap emisi gas buang CO dan HC sebelum menggunakan catalytic converter dan setelah menggunakan catalytic converter tembaga (Cu) selang-seling dengan tembaga berlapis nikel (Cu*Ni). 43