PENGARUH KATALITIK KONVERTER KUNINGAN TERHADAP PENURUNAN EMISI HC DAN CO MESIN OTTO MULTI SILINDER Oleh, Samuel P. Siregar Dosen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Cenderawasih Jl. Kampwolker Kampus Uncen Waena Jayapura Papua email: samuel_srg@yahoo.com ABSTRAK Konsentrasi emisi gas buang karbon monoksida (CO) dan hidrokarbon (HC) merupakan hasil pembakaran tidak stoichiometri yang keluar dari muffler pada mesin Otto multi silinder sehingga membahayakan lingkungan sekitar. Rancangan penempatan massa katalis yang tepat akan memperbaiki unjuk kerja mesin dan menurunkan emisi gas buang khususnya HC dan CO pada kendaraan bermotor. Katalitik konverter berisi katalis serabut kuningan dan pipa perforated kuningan yang ditempatkan pada muffler sebagai media untuk mempercepat laju reaksi kimia dengan prinsip adsorpsi. Pengujian kendaraan mesin bensin enam silinder dilakukan dengan variasi putaran dan menempatkan variasi massa katalis 100gr, 150gr, 200gr, 250gr,. Hasil pengujian dengan variasi massa katalis dikomparasi terhadap data standar tanpa katalis. Hasil uji terbaik dengan massa katalis kuningan dapat mereduksi konsentrasi polutan gas CO sebesar 15,33%, HC sebesar 14,98%, tekanan efektif rata-rata sebesar 7,49 %, effisiensi termal sebesar 17,51%, dan menurunkan konsumsi bahan bakar spesifik sebesar 11%. Kata kunci : Emisi, Katalitik konverter, Kuningan. 1. PENDAHULUAN Polusi udara sangat berdampak bagi lingkungan maupun kesehatan manusia, dimana salah satu penyebab dari polusi udara adalah emisi gas buang kendaraan bermotor. Emisi tersebut antara lain berupa karbon monoksida (CO), hidro karbon (HC), nitrogen oksida (NO x ), dan lain lain. Motor bensin atau yang lebih dikenal dengan motor pembakaran nyala (spark ignition engine) bekerja berdasarkan siklus Otto adalah mesin penghasil daya yang paling efisien hingga saat ini. Ironisnya, motor bensin juga memiliki andil yang besar pada problem lingkungan berupa polusi udara. Dari hasil penelitian menjelaskan bahwa polusi udara yang dihasilkan kendaraan roda empat sangat signifikan. Sedangkan besar kandungan polutan mobil bensin mencapai 29% gas CO dari total polutan yang terjadi, sementara bus dan truk memberikan kontribusi 18% CO. Polutan HC dari mobil bensin 39% sedangkan dari bus dan truk memberikan kontribusi 20% (Paul Butarbutar, 2005). Pencemaran udara ini bila melebihi ambang batas dari WHO, resikonya sangat besar baik bagi kehidupan manusia maupun lingkungan, seperti gas CO mengurangi oksigen dalam darah, mengganggu hati dan sakit kepala, dapat memperlambat refleksi dan radang tenggorokan. Gas HC menyebabkan iritasi mata, batuk, rasa mengantuk dan bercak kulit (Larderel at.all, 2003) Banyak hal yang telah dilakukan untuk mengurangi tingkat emisi tersebut dimulai dari penyempurnaan proses pencampuran bahan bakar, saat pembakaran, sampai setelah pembakaran. Pada proses sebelum pembakaran dapat dilakukan melalui modifikasi bahan bakar, seperti penggunaan ethanol sudah bisa dikatakan dapat mengurangi emisi CO dan HC. Hal ini membuktikan bahwa penurunan emisi masih 26
belum cukup hanya dengan modifikasi bahan bakar. Oleh karena itu perlu disertakan modifikasi lain seperti pada saluran buang yang bertujuan untuk memberikan perlakuan pada gas buang sehingga emisi yang ditimbulkan serendah mungkin. Dengan memasang katalis pada muffler rata - rata emisi CO dan HC bisa turun sekitar 20%- 50% tergantung jenis katalis yang digunakan. Salah satu alternatif teknologi pengurangan emisi kendaraan bermotor adalah dengan menambahkan katalitik konverter pada sistim saluran gas buang. katalitik konverter terdiri atas bahan yang bersifat katalis yaitu bahan yang dapat mempercepat terjadinya reaksi kimia dan tidak mempengaruhi keadaan akhir kesetimbangan reaksi dan komposisi kimia katalis tersebut. Penelitian ini bertujuan mengetahui kemampuan katalitik konverter kuningan pada saluran gas buang terhadap penurunan emisi HC dan CO pada mesin Otto multi silinder. 2. TINJAUAN PUSTAKA Kuningan merupakan logam paduan antara Cu (tembaga) dan Zn (seng), dengan komposisi campuran 70% Cu dan 30% Zn. Secara umum katalis hanya mengubah laju suatu reaksi tetapi tidak mempengaruhi kesetimbangan reaksi. Operasi dari sebuah katalis adalah berdasarkan pada kemampuan untuk menurunkan energi aktivasi dari oksidasi atau reduksi menuju level rendah. Temperatur reaksi diturunkan menjadi sangat rendah. Reaksi dimulai dengan adsorpsi komponen polutan gas buang dan oksigen pada permukaan katalis. Hasil proses adsorpsi adalah memperlemah ikatan antar atom-atom molekul yang diadsorpsi, karena sebagian energi diberikan pada permukaan katalis. Semakin sedikitnya ikatan atom yang kuat, lebih mempermudah menarik atom lainnya, sehingga reaksi menjadi lebih mudah dan lebih cepat (Jenbacher, 2000). Pembakaran yang normal pada motor bensin akan membakar semua hidrogen dan oksigen yang terkandung dalam campuran udara dan bahan bakar, akan tetapi dalam pembakaran yang tidak normal misalnya pembakaran yang kekurangan oksigen, akan mengakibatkan CO yang berada didalam bahan bakar tidak terbakar dan keluar bersama-sama dengan gas buang. Gas CO terendah tercapai pada saat pembakaran mendekati stokiometri (gbr 1) dan gas CO akan beroksidasi selama proses ekspansi. Gambar 1. Emisi gas buang versus AF ratio pada motor bensin (Sumber : Bernard J. Feldman, 2004) Unjuk Kerja Mesin Unjuk kerja mesin merupakan indikator yang digunakan untuk mengevaluasi suatu motor bakar, dengan persamaan berikut: - Daya efektif (Ne) Daya efektif merupakan ukuran kemampuan dari suatu mesin untuk menghasilkan kerja yang berguna per satuan waktu. T. n Ne = (1) 716,2 - Tekanan efektif rata-rata (b mep ) Tekanan efektif rata-rata, (break mean effective pressure) merupakan tekanan tetap rata-rata teoritis yang bekerja sepanjang volume langkah piston sehingga mengasilkan daya yang besarnya sama dengan daya efektif pengamatan. 60. Ne. z bmep (2) A. L. n. i.1,34 - Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (Sfc) Konsumsi bahan bakar spesifik (spesific fuel consumption) adalah jumlah bahan bakar yang dikonsumsi mesin untuk menghasilkan daya efektif 1 (satu) hp selama 1(satu) jam. 3600. mbb sfc (3) Ne. s 27
CO (%) - Efisiensi Thermal (ŋ th ) Effisiensi thermal adalah ukuran besarnya pemanfaatan energi panas yang tersimpan dalam bahan bakar untuk diubah menjadi daya efektif oleh motor pembakaran dalam. 632 th 100% (4) Sfc.Q 3. METODE PENELITIAN Penelitian ini berdasarkan metode laboratory experimental comparation test, yaitu untuk mengetahui pengaruh dari suatu perlakuan uji dengan cara membandingkan terhadap kelompok standar. Dalam pengujian dilakukan dengan wide open throtle (WOT), dengan variabel massa katalis kuningan (Cu- Zn),,,,, yang ditempatkan pada muffler dari saluran gas buang mesin bensin enam silinder, mesin Toyota Crown, 2563 cc. Pengujian dilakukan di Laboratorium Motor Pembakaran Dalam, Jurusan Teknik Mesin ITS, Surabaya. 3.1. Rangkaian Peralatan Penelitian Rangkaian pengujian yang digunakan dalam penelitian ini seperti pada gambar berikut: Gambar 3. Katalitik converter 3.3. Logam katalis kuningan (Cu-Zn) (a) (b) Gambar 4. (a) serabut kuningan, dan (b) pipa perforated kuningan straight through Katalis kuningan (Cu-Zn) yang digunakan berbentuk potongan lembaran plat kuningan menyerupai bentuk spiral dan pipa perforated kuningan straight through. Hasil potongan kemudian diisikan ke dalam muffler berdasarkan massa kuningan. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Konsentrasi Karbon Monoksida (CO) Hasil pengujian menunjukan kecenderungan emisi gas CO yang dihasilkan oleh mesin meningkat pada saat idle dan menurun dengan naiknya kecepatan. Hasil tersebut dapat dilihat pada grafik berikut. Gambar 2. Skema Pengujian Keterangan gambar : A= mesin, B= Rol chasis dynamometer, C= Exhaust gas analyzer, D= Panel dynamometer, E= Tabung bensin, F= Gelas ukur, G= Thermocouple, H= Manometer, I= Katalitik converter, J= Tachometer, K= Blower. 3.2. Rancangan katalitik konverter Rancangan katalitik konverter untuk penempatan katalis kuningan seperti pada gambar dibawah ini: 10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 Gambar 5. Grafik konsentrasi CO terhadap putaran mesin Gambar 5 terlihat rata-rata penurunan konsentrasi CO pada kelompok uji dibanding 28
HC (ppm) Torsi (kg.m) dengan standar, yaitu terjadi penurunan terbesar pada kelompok uji massa kuningan 220 gr. Prosentase penurunan konsentrasi CO lebih efektif pada putaran sedang dibanding putaran rendah dan putaran tinggi. Fenomena ini terjadi karena kecenderungan pada putaran sedang menghasilkan air-fuel ratio mendekati A/F stoichiometry. A/F terbaik pada putaran mesin sekitar 3750-4000 RPM yaitu A/F 14,5-14,8, sehingga menghasilkan konsentrasi polutan CO sebesar 4,23-4,20% yang jauh lebih rendah dari kondisi standar pada putaran mesin 3750-4000 rpm yang menghasilkan konsentrasi CO sebesar 5,15-5,10%. Hal ini menunjukkan bahwa proses pembakaran pada katalis 220 gr lebih baik dari standar dengan A/F yang lebih mendekati stoichiometry, sehingga menghasilkan konsentrasi polutan CO yang rendah. 4.2. Konsentrasi Polutan Hidrokarbon (HC) 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Gambar 6. Grafik HC terhadap putaran mesin Gambar 6 menujukan penurunan konsentrasi polutan HC terbaik pada massa kuningan 220 gr. Volume ideal katalis pada ruang mufller mempengaruhi proses reduksi polutan. Prosentase penurunan konsentrasi HC lebih efektif pada putaran sedang. Hal ini terjadi karena kecenderungan pada putaran sedang menghasilkan air-fuel ratio mendekati A/F stoichiometry. Saat terjadi campuran kaya (A/F<12,9), sebagian HC tidak terbakar karena belum mencapai temperatur yang diinginkan ketika terjadi campuran udara dan bahan bakar. Mendekati kondisi A/F stoichiometry, menghasilkan konsentrasi HC sebesar 608-613 ppm yang jauh lebih rendah dari kondisi standar pada putaran mesin sekitar 3750-4000 rpm yang menghasilkan konsentrasi HC sebesar 698-740 ppm. Hal ini menunjukkan bahwa proses pembakaran pada katalis 220 gr lebih baik dari pada standar dengan A/F yang lebih mendekati stoichiometry. 4.3. Torsi (T) 14.000 13.500 13.000 12.500 12.000 11.500 11.000 10.500 10.000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 55 Gambar 7. Grafik torsi terhadap putaran mesin Penggunaan straight through muffler dengan pipa kuningan (Cu-Zn) berpengaruh cukup baik dalam meningkatkan torsi yang dihasilkan oleh mesin pada masing-masing perlakuan dari kondisi standarnya. Prosentase torsi terhadap kelompok uji terlihat bahwa pada putaran sedang lebih tinggi dibanding putaran rendah dan putaran tinggi. Hal ini terjadi karena maximum torsi berada pada putaran sedang. Selain itu, torsi juga dipengaruhi oleh A/F yang terjadi. Pada A/F yang lebih mendekati stoichiometry maka torsi yang terjadi akan lebih tinggi, yang berarti unjuk kerja menjadi tinggi. 29
Bmep (kpa) Daya (HP) 4.4. Daya Efektif Grafik daya terhadap putaran mesin dapat dilihat pada grafik berikut: 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 Gambar 8. Grafik daya terhadap putaran mesin Dari gambar diatas tren grafik terlihat bahwa daya efektif mengalami kenaikan seiring dengan peningkatan putaran yang secara otomatis memperbesar intake bahan bakar. Peningkatan pemasukan bahan bakar ini mengakibatkan pembakarannya semakin meningkat sehingga energi kalor yang diubah menjadi energi mekanik untuk menghasilkan daya akan semakin meningkat pula. Ratarata terjadi kenaikan daya pada berbagai perlakuan pengujian bila dibandingkan dengan kelompok standar. Kenaikan daya rata-rata terbesar pada kelompok uji 4 dengan menggunakan straight through muffler yang diisikan katalis kuningan dengan masa 220 gr, dari kondisi standar. 4.5. Tekanan Efektif Rata-Rata (bmep) Tekanan Efektif Rata-Rata mempunyai hubungan yang linear terhadap daya mesin. Untuk daya yang tetap, Bmep akan turun dengan putaran yang semakin besar. Bmep akan cenderung konstan bila kenaikan daya diikuti oleh kenaikan putaran mesin. 640 620 600 Gambar 9 terlihat rata-rata terjadi kenaikan bmep pada berbagai perlakuan pengujian bila dibandingkan dengan kelompok standar. Kenaikan bmep rata-rata terbesar pada pengujian ini adalah dengan masa 220 gr. Terlihat bahwa semakin bertambahnya putaran maka tren grafik akan semakin naik. Hal ini menunjukkan bahwa dengan semakin besarnya beban maka semakin banyak bahan bakar yang dimasukkan untuk mengatasi penurunan putaran, sehingga pembakaran yang terjadi akan semakin banyak. Kenaikan energi kalor yang diakibatkan oleh pembakaran tersebut menyebabkan tekanan di ruang bakar akan semakin naik. 4.6. Konsumsi Bahan bakar Spesifik (Sfc) Peningkatan grafik Sfc seiring dengan peningkatan putaran yang menunjukkan bahwa bahan bakar yang digunakan untuk menghasilkan daya dalam waktu 1 jam dapat efektif terbakar. Hal ini dikarenakan semakin bertambahnya beban maka bahan bakar akan semakin banyak dimasukkan keruang bakar untuk mengatasi penurunan putaran engine dan menghasilkan daya. Akan tetapi setelah putaran rendah sfc mulai mengalami kenaikan. Hal ini dikarenakan adanya bahan bakar yang tidak terbakar atau unburned fuel akibat campuran bahan bakar dengan udara (A/F) terlalu kaya Adanya unburned fuel mengakibatkan energi kalor dari bahan bakar tidak dapat maksimal untuk dijadikan energi mekanik. Seperti pada Gambar 10 terlihat tren grafik akan mengalami penurunan pada putaran rendah dan kemudian mengalami kenaikan mulai pada putaran sedang. Setelah itu grafik akan naik seiring dengan peningkatan putaran. Secara rata-rata terjadi penurunan konsumsi bahan bakar spesifik (Sfc) pada berbagai perlakuan pengujian. 580 560 540 520 500 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 550 Gambar 9. Grafik bmep terhadap putaran mesin 30
Eff thermal (%) SFC (kg/hp.jam) 5. KESIMPULAN 0.310 0.290 0.270 0.250 0.230 0.210 0.190 0.170 0.150 Gambar 10. Grafik Sfc terhadap putaran mesin 4.7. Effisiensi Thermal (η th ) Kecenderungan bertambahnya putaran mesin maka semakin bertambah pula efisiensi thermisnya. Hal ini terlihat pada gambar 11 yaitu dengan semakin meningkatnya pembebanan maka semakin meningkat pula bahan bakar yang dimasukkan ke ruang bakar untuk mengatasi penurunan putaran. Dengan bertambahnya bahan bakar maka energi panas yang terjadi akan semakin besar sehingga daya yang dihasilkan akan besar, efisiensi thermis akan meningkat. Setelah mencapai putaran menengah maka grafik terlihat mengalami penurunan. Hal itu terjadi karena bahan bakar yang diinjeksikan keruang bakar terlalu banyak (campuran kaya) sehingga ada bahan bakar yang tidak terbakar (unburned fuel) sehingga energi kalor yang tersimpan dalam bahan bakar tidak dapat dimanfaatkan secara maksimal untuk menghasilkan daya, hal itu menjadikan efisiensi thermis turun. Penggunaan katalitik konverter dengan katalis kuningan (Cu-Zn) pada saluran gas buang mampu menurunkan kadar emisi gas buang HC dan CO dari kendaraan uji. Katalitik konverter dapat efektif berfungsi bila penempatan massa katalisnya ideal. Penempatan massa katalis kuningan sebesar 220 gr pada muffler sangat efektif dalam mereduksi emisi gas buang HC dan CO terhadap unjuk kerja mesin. Penurunan CO sebesar 15,33 %, HC sebesar 14,98 %, sedangkan perubahan daya efektif terbaik naik 4,79 %, tekanan efektif rata-rata sebesar 7,49 %, effisiensi termal sebesar 17,51%, dan menurunkan konsumsi bahan bakar spesifik sebesar 11%. DAFTAR PUSTAKA Arismunandar, W., 2002, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Edisi 5, ITB, Bandung. Bernard J. Feldman, (2004), A Physicist s View of the Automobile Engine, St. Louis, MO Funk, S (2006), CO2 adsorption on the bimetallic Zn-on-Cu (110) system, Surface Science 600, 1870 1876 Jenbacher, (2000), Internal Combustion Engine II. Vol I, Lecturing Scrips for Technical Universities in Indonesia, Jenbach. 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 Manuel Presti, (2005), Optimisation Development of Advanced Exhaust Gas Aftertreatment Systems for Automotive Applications, Jurnal SAE International. Martyn, V. (1996), Catalist Handbook, Second Edition, Manshon Publising Ltd, London. 20.00 Gambar 11. Grafik effisiensi thermal terhadap putaran mesin Oky M.P (2006), Pengaruh Penggunaan Kuningan pada Straight Through Muffler Motor Bensin Empat Langkah Satu Silinder Dalam Upaya 31
Pengurangan Emisi Gas Buang, T.A S-1 Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya Samuel P. Siregar, (2007), Analisa Pengaruh Penggunaan Katalis Kuningan (CuZn) terhadap Polutan Gas Buang Spark Ignition Engine Empat Langkah Multi Silinder, Seminar Nasional PascaSarjana VII, ITS Surabaya. Pulkrabek, W.W, (2004) Engineering Fundamental of The Internal Combustion Engine, Pearson Prentice-Hall, New Jersey. 32