BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Kerangka Penelitian Dalam pembuatan dan penelitian Catalytic Converter terdapat beberapa tahapan yang dilakukan, diagram alur kerangka penelitian ditunjukan pada gambar 3.1. Mulai Studi Pustaka Persiapan Penelitian Tidak Pembuatan Katalis Pembuatan Catalytic Converter Penyiapan Alat dan Bahan Percobaan CO, HC Tereduksi Tanpa Catalytic Converter Pengujian & Pengambilan Data Dengan Catalytic Converter YA Analisa & Pengolahan Data Referensi Kesimpula n Selesai Gambar 3.1 Diagram alur metedologi penelitian Penelitian dimulai kemudian dilanjutkan dengan studi pustaka sebelum persiapan penelitian dilmulai. Setelah persiapan selesai kemudian pembuatan 38
Catalytic Converter yang terlebih dahulu melakukan penyiapan alat dan bahan tahap keduanya pembuatan katalis. Tahap selanjutnya adalah percobaan Catalytic Converter, apabila pada saat percobaan CO dan HC belum mampu tereduksi maka perlu melakukan persiapan ulang dan apabila CO dan HC mampu tereduksi maka dilanjutkan kepengujian mesin dan pengambilan data. Setelah pengujian dan pengambilan data maka tahap selanjutnya analisa data dilanjutkan dengan pengambilan kesimpulan dan selesai. 3.2 Studi Pustaka Studi pustaka dilakukan untuk memperdalam bidang yang akan diteliti, baik mengenai masalah polusi udara teknologi pengendalian emisi khususnya Cataliytic Converter maupun pembuatan piranti penunjang penelitian guna mendapatkan hasil yang maksimal. Studi pustaka juga dilakukan untuk membandingkan hasil penelitian atau mengembangkan penelitian terdahulu yang berhubugan dengan topic penelitian. 3.3 Persiapan Penelitian 3.3.1 Instrumen Penelitian Instrumen penelitian adalah alat ukur dan alat uji yang digunakan untuk mendapatkan data penelitian. Instrumen yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukan pada gambar 3.2. Gambar 3.2 Instrumen penelitian 39
Pada penelitian ini menggunakan Engine stand Toyota kijang 5K sebagai sumber polutan. Pada pipa aliran gas buang setelah Catalytic Converter dipasang sebuah orifice plate serta 2 buah thermocouple pada input dan output dari Catalytic Converter. Hal tersebut bertujuan untuk membantu dalam menganalisa performa dan system kerja Catalytic Converter. Empat Buah spiral pipa tembaga dipasang masing-masing 2 pada input dan output Catalytic Converter serta 2 buah pada orifice plate. Pipa tembaga dibentuk spiral guna mempercepat pelepasan kalor dari emisi gas buang yang kemudian diteruskan kemanometer untuk mengetahui beda takanan yang terjadi pada Catalytic Converter dan Beda tekanan pada orifice plate. Skema pemasangan alat ukur ditunjukan pada gambar 3.3 Pemasangan Catalytic Converter penelitian. Gambar 3.3 Skema pemasangan alat ukur Catalytic Convereter Tabel 3.1 Keterangan gambar 3.3 No Keterangan 1 Plate orifice 2 Thermocouple T 2 3 Thermocouple T 1 4 Pipa manometer pada orifice (P 2 orifice) 5 Pipa manometer pada orifice (P 1 orifice) 6 Pipa manometer pada Catalytic Convereter (P 2 Catalytic Converter) 7 Pipa manometer pada Catalytic Convereter (P 1 Catalytic Converter) Sistem kerja Catalytic Converter adalah mengubah gas HC, CO, NOx yang berbahaya bagi kesehatan kemudian mengubahnya menjadi H 2 O,CO 2 dan N. untuk lebih jelasnya seperti pada gambar 3.4. 40
H 2 O, CO 2, N HC, CO, NOx Gambar 3.4 Sistem kerja Catalytic Converter 3.3.2 Penyiapan Alat-alat Penelitian Adapun alat yang digunakan saat peneliti melakukan penelitian adalah sebagai berikut: 1. Mesin Uji Mesin uji yang digunakan dalam penelitian ini adalah egine stand di laboratorium Fakultas Teknik Mesin UNIMUS. Adapun mesin uji tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.5 dengan spesifikasi: Merk Type : Toyota : 5K Tahun : 1992 Volume silinder Jumlah silinder Bahan bakar System pengabut bahan bakar : 1456 CC : 4 buah : Bensin : Karburator 41
Gambar 3.5 Mesin uji 2. Gas Analyzer Gas analyzer atau alat uji emisi yang digunakan untuk penelitian menggunakan gas analyzer dilaboratorium Fakultas Teknik UNIMUS. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 3.6 dengan spesifikasi mesin sebagai berikut: Merk/ type : Qrotech 402 Measuring item : CO, HC, CO 2, O 2, Lambda, AFR Nox. Measuring Range : CO = 0.00-9,99% HC = 0-9999 ppm CO 2 = 0,0-20,0% O 2 = 0,0-25% Lambda = 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% 60Hz. Gambar 3.6 Automotive Emission Analizaer QRO- 402 3. Thermocouple dan Thermodisplay Termocouple merupakan alat yang digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi temperature gas buang dari exhouse manifold masuk ke Catalytic 42
Converter dan temperature gas keluar Catalytic Converter. Termocouple yang digunakan adalah tipe K dengan range pengukuran 0 0 1200 0 C. Termodisplay merupakan alat yang dapat menampilkan output dari hasil pengukuran temperature kedalam bentuk angka (digit). Termodisplay menggunakan merk Autonics dengan model TC4S yang mampu mengukur 1000 0 C dan lebih cocok bila digunakan dengan thermocouple tipe K. Adapun thermocouple dan termodisplay ditunjukan pada gambar 3.7. Gambar 3.7 Termocouple dan Termodisplay 4. Digital Tachometer Gambar 3.8 Tachometer Digital Digital Tachometer digunakan untuk mengukur kecepatan putar pada flywell. Tachometer yang digunakan adalah ADT-2234BL. Untuk lebih jelasnya ditunjukan pada gambar 3.8 dengan spesifikasi pada table 3.2. 43
Tabel 3.2 Spesifikasi Tachometer digital Display 5 digits,10 mm (0.4 ) LCD Measurement & range 5 to 99.999 Rpm Resolution 0,1 Rpm ( < 1.000 Rpm) 1 Rpm ( 1.000 Rpm) Accuracy (23 ± 5 0 C) ± (0,05% + 1 digit) Operating Temp 0 50 0 ( 32 122 0 F) Battery 4 x 1,5Volt. 5. Stopwatch Stopwatch digunakan untuk menentukan jeda waktu saat pengambilan data pada saat pengujian. Stopwatch ditunjukan pada gambar 3.9. Gambar 3.9 Stopwatch 6. Sound Level Meter Sound level meter digunakan untuk mengukur kebisingan suara mesin uji pada saat pengambilan data. Alat ini digunakan untuk membandingkan kebisingan saat menggunakan Catalytic Converter dan tanpa menggunakan Catalytic Converter. Untuk lebih jelasnya sound level meter ditunjukan pada gambar 3.10. 44
Gambar 3.10 Sound Level Meter 7. Orifice Plate Flowmeter Orifice plate flowmeter merupakan salah satu alat yang biasa digunakan untuk mengukur laju aliran massa karena dapat menentukan beda tekanan pada suatu aliran. Dalam penelitian ini orifice plat ditempatkan pada saluran buang dengan jarak 1 meter dibelakang Catalytic Converter. Perbedaan tekanan dari dua titik yaitu sebelum dan sesudah melewati orifice plat dapat ditentukan dengan Manometer pipa U. Setalah beda tekanan diketahui maka untuk mengetahui laju aliran massa menggunakan persamaan kontiyuitas dan bernouli. Gambar 3.11 menunjukan orifice plate dan dimensinya. Gambar 3.11 Oriffice plate dan Dimensinya 45
8. Manometer Pipa U Manometer pipa U digunakan untuk mengetahui perbedaan tekanan yang terjadi dalam sebuah aliran udara. Dalam hal ini manometer digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan yang terjadi sebelum dan sesudah Catalytic Converter dan orifice plat flowmeter. Selang yang digunakan adalah ukuran 4 x 6 mm yang diisi dengan air raksa (Hg) sebagai pengukur tekanan. Perbedaan tekanan dapat diketahui dengan pengukuran naik turunya air raksa pada pipa U. Untuk lebih jelasnya ditunjukan pada gambar 3.12. Gambar 3.12 Manometer Pipa U 3.3.3 Penyetingan Mesin Uji Sebelum Penelitian emisi gas buang berlangsug, terlebih dahulu mempersiapkan kondisi standar mesin. Adapun kegiatan yang dilakukan adalah sebagai berikut: 1. Membersihkan saringan udara 2. Service karburator 3. Pemeriksaan system pengapian 4. Pemeriksaan radiator 5. Pemeriksaan accumulator 6. Pemeriksaan kebocoran oli pada mesin dan memeriksa pelumas mesin. 46
3.4. Pembuatan Catalytic Converter Pembuatan bahan penelitian Catalytic Converter ini terdiri dari dua bagian utama yaitu konstruksi bagian luar dan konstruksi bagian dalam. Konstruksi bagian luar berupa casing sedangkan bagian dalam berupa katalis. 3.4.1. Pembuatan Katalis Katalis merupakan bahan yang digunakan untuk mempercepat raeksi kimia disini terdiri dari dua macam yaitu: 1. Pembuatan Katalis Tembaga (Cu) Katalis yang terbuat dari tembaga (Cu) yang berbentuk plat lembaran dengan ukuran 36 x 125 cm dengan tebal 0.02 mm. palt kemudian dipotong memanjang dengan lebar 2 cm dan dibentuk dengan bentuk sarang lebah. Katalis tembaga (Cu) dapat dilihat pada gambar 3.13 dibawah ini. Gambar 3.14 Katalis Tembaga (Cu) Sarang Lebah 2. Pembuatan Katalis Tembaga Lapis Crome (Cu*Cr) Katalis Tembaga lapis Crome (Cu*Cr) merupakan katalis tembaga yang terlebih dahulu dilapisi dengan Crome melalui proses electroplating. Setelah plat tembaga dipotong memanjang dengan lebar 2 cm, potongan tembaga tersebut dilapisi dengan crome dengan cara electroplating. Setelah proses pelapisan selesai barulah kemudian dibentuk sarang lebah. Adapun katalis Cu*Cr seperti ditunjukan pada gambar 3.13. 47
Gambar 3.14 Katalis Cu*Cr 3.4.2 Casing Casing merupakan bagian luar dari Catalytic Converter. Casing dibuat seperti tabung dan terbuat dari plat galvanis yang harganya lebih ekonomis. Bentuk Casing dibuat seperti bentuk catalystnya. Casing dibuat menjadi dua bagian yang dapat dilepas untuk memudahkan pemasangan catalyst. Bentuk casing ditunjukan seperti pada gambar 3.15. Gambar 3.15 Bentuk Casing 48
4D Cu Gambar 3.16 Catalytic Converter dengan 4 Katalis Cu depan 4B Cu*Cr Gambar 3.17 Catalytic Converter dengan 4 Katalis Cu*Cr belakang 4B Cu*Cr 4D Cu Gambar 3.18 Catalytic Converter dengan Katalis 4 Cu depan + 4 Cu*Cr belakang 49
Didalam casing terdapat bagian penyekat yang merupakan tempat dari katalis. Penyekat tersebut berbentuk seperti nozel dan diffuser. Tujuan dari pembentukan tersebut adalah agar sirkulasi udara yang masuk kedalam Catalytic Converter lebih lama sehingga reaksi kimianya akan lebih maksimal. Untuk lebih jelasnya sistem pemasangan katalis dapat dilihat pada gambar 3.16,3.17,dan 3.18. 3.5 Percobaan Percobaan dilakukan untuk mengetahui apakah Catalycic Converter yang dibuat sudah mampu untuk mereduksi emisi gas buang CO dan HC. Apabila Catalycic Converter sudah mampu mereduksi gas CO dan HC maka penelitian akan dilanjutkan ketahap pengujian dan apabila gas CO dan HC belum mampu untuk tereduksi maka akan kembali ke tahap pembuatan Catalytic Converter kembali dengan melakukan studi pustaka lebih lanjut. 3.6 Pengujian Pengujian dilakukan tiga tahapan yaitu pengujian tanpa Catalytic Converter, pengujian dengan menggunakan Catalytic Converter dan yang terakhir adalah uji ketahanan. 3.6.1 Langkah Sebelum Pengujian 1. Pemanasan mesin Pemanasan mesin dilakukan bertujuan untuk mempersiapkan kondisi mesin uji supaya tercapai kondisi kerjanya. Langkah-langkah pemanasan adalah sebagai berikut: a. Menghidupkan kondisi mesin dalam kondisi idle selama ± 5 menit. b. Memeriksa kondisi mesin dan memastikan semua komponen bekerja dengan baik. c. Mesin siap digunakan 2. Kalibrasi Alat Ukur Ada banyak alat ukur yang digunakan dalam pengujian ini seperti thermocouple dan termodisplay, tachometer, stopwatch, Sound level meter, 50
manometer pipa U dan Gas Analyzer. Namun yang sangat penting adalah kalibrasi Gas Analizer. Adapun langkah- langkah dalam kalibrasi Gas Analizer adalah sebagai berikut: a. Pasang dan hubungkan kabel power ke arus listrik. b. Nyalakan Gas analyzer dengan menekan tombol ON c. Tekan tombol ENTER untuk mulai kalibrasi secara otomatis. d. Setelah kalibrasi awal selesai, secara otomatis Gas Analizer akan melakukan Zero kalibrasi. e. Pasang dan masukan sensor Gaz Analizer kedalam Knalpot f. Tekan Tombol ENTER maka Gaz Analizer Siap digunakan. 3.6.2 Tahap Pengujian Pengujian dibagi tiga tahapan yaitu: a. Tanpa Catalytic Converter Pengujian tanpa Catalytic Converter dilakukan untuk mengetahuijumalah emisi gas buang yang dikeluarkan oleh mesin uji. Data yang diperoleh digunakan sebagai dasar pembanding dengan pengujian menggunakan Catalytic Converter. Adapun langkah- langkah pengujian adalah sebagai berikut: a. Persiapan semua alat ukur yang digunakan dan hidupkan mesin selama 5 menit. b. Mesin dalam posisi idle kemudian masukan sensor Gas Analizer kedalam Mufler. c. Stopwatch dijalankan sebagai batasan pengambilan data setiap 1 menit dan data setiap posisi (Rpm) tertentu diambil seanyak 3 sample. d. Mesin pada kondisi idle dan jika temperatur mulai konstan pada 105 0 C (T1). Catat data pada termodisplay, Gas Analizer, manometer pipa U dan Sound Level Meter sebanyak 3 sample dengan batas waktu 1 menit, kemudian gunakan tachometer untuk pengaturan Rpm yaitu idle, 1500 Rpm, 2000 Rpm, 2500 Rpm, 3000 Rpm. Kemudian turun ke 2500 Rpm, 2000 Rpm, 1500 Rpm dan terakhir idle. e. Dengan langkah yang sama catat seluruh data pada tiap Rpm yang ditentukan sebanyak 3 sample dengan batasan waktu 1 menit. 51
b. Pengujian dengan Catalytic Converter Setelah pengujian tanpa Catalytic Converter selesai maka tahap selanjutnya adalah pengujian dengan menggunakan Catalytic Converter. Adapun langkahlangkahnya adalah sebagai berikut: a. Pasang Catalytic Converter dengan 4 katalis tembaga bagian depan (4D Cu) seperti pada gambar 3.16. b. Lapisi sambungan Catalytic Converter dengan menggunakan packing knalpot dan sealer pada tiap sambungan kemudian kencangkan dengan mur dan baut. Pastikan tidak terjadi kebocoran. c. Biarkan mesin menyala pada posisi idle untuk memanasi Catalytic Converter hingga suhu mencapai ± 105 0 C (T1). d. Pada posisi idle, catat data pada termodisplay, Gas Analizer, manometer pipau dan Sound Level Meter sebanyak 3 sample dengan batas waktu 1 menit, kemudian gunakan tachometer untuk pengaturan Rpm menjadi 1500 Rpm, 2000 Rpm, 2500 Rpm, 3000 Rpm. Kemudian turun ke 2500 Rpm, 2000 Rpm, 1500 Rpm dan terakhir idle. e. Pengukuran selanjutnya dilakukan dengan pergantian 4B Cu*Cr seperti pada gambar 3.17 kemudian dilanjutkan dengan 4D Cu + 4B Cu*Cr seperti gambar pada gambar 3.18. Ulangi langkah dari (a) sampai (d). c. Pengujian Ketahanan Catalytic Converter Pengujian ini dilakukan guna mengetahui ketahanan dati Catalytic Converter katalis Tembaga dan Crome. Pengujian ini dilakukan selama 8 jam non stop pada putaran mesin 1500 Rpm dan tanpa beban pada Egine Stand. Langkah-langkah dalam pengujian adalah sebagai berikut: a. Pasang Catalytic Converter dengan menggunakan 4D Cu + 4B Cu*Cr seperti pada gambar 3.18. b. Warming up engine pada posisi idle c. Naikan putaran mesin menjadi 1500 Rpm dengan menggunakan tachometer digital. 52
d. Catat data pada termodisplay, Gas Analizer, manometer pipa U dan Sound Level Meter sebanyak 3 sample. e. Tahan mesin pada putaran 1500 Rpm. Ambil kembali data setiap 1 jam kedepan selama 8 jam total waktu pengujian.guanakan Stopwatch untuk membantu mengetahui waktu tempuh pengujian. 3.7 Variable Penelitian Pada penelitian yang dilakukan terdapat tiga variable penelitian yaitu variable tetap, variable berubah dan variable respon. 3.7.1 Variable tetap a. Jenis bahan bakar yang digunakan adalah premium. b. Tebal plate katalis adalah 0.2 mm, lebar 2 cm berdiameter 10 cm c. Bentuk Catalytic Converter serta katalistnya seperti pada gambar 3.14 d. Mesin uji yang digunakan adalah merk Toyota type 5K tahun 1992 dengan volume silinder 1456 CC milik Fakultas Teknik Unimus. 3.7.2 Variable Berubah a. Variasi putaran mesin dari putaran idle, 1500 Rpm, 2000 Rpm, 2500 Rpm, 3000 Rpm turun kembali ke 2500 Rpm, 2000 Rpm, 1500 Rpm dan idle. b. Jumlah katalis yang digunakan 4D Cu, 4B Cu*Cr dan 4D Cu + 4B Cu*Cr. 3.7.3 Variable Respon Meliputi kosentrasi CO dan HC, P (pada Catalytic Converter), serta laju aliran massa (pada orifice plate) tanpa Catalytic Converter dan setelah menggunakan Catalytic Converter. 3.8 Tabel Pengambilan Data Pengambilan data dilakukan pada saat pengujian, kemudian data tersebut diolah dan disajikan dalam bentuk tabel. Untuk lebih jelasnya seperti pada tabel 3.3. 53
Tabel 3.3 Pengambilan Data Gas CO dan HC Putaran Mesin Catalytic Converter (Rpm) Tanpa CC 4D Cu 4B Cu*Cr 4D Cu + 4B Cu*Cr Idle 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 Idle CO, HC CO, HC CO, HC CO, HC Keterangan: Tanpa CC = Tanpa Catalytic Converter 4D Cu = 4 katalis tembaga diletakan bagian depan 4B Cu*Cr = 4 katalis tembaga lapis krom diletakan bagian belakang 4D Cu + 4B Cu*Cr = 4 katalis tembaga posisi depan + 4 katalis tembaga lapis krom posisi belakang 3.9 Analisis Data Analisis data dilakukan dengan menelaah dan mengolah data dari hasil penelitian yang telah dicatat kedalam table. Kemudian menyajikan data tersebut kedalam bentuk grafik kemudian membandingkan hasil penelitian yang menggunaka 4D Cu, 4B Cu*Cr dan 4D Cu + 4B Cu*Cr kemudian membandingkan hasil penggunaan Catalytic Converter dan tanpa menggunakan Catalytic Converter. 54