BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pencemaran...

7

http://digilib.unimus.unimus.ac.id

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pencemaran Udara

Udara merupakan campuran beberapa macam gas yang

perbandingannya tidak tetap, tergantung pada suhu udara, tekanan udara dan

kondisi lingkungan sekitarnya. Udara adalah jumah atmosfir yang berada di

sekeliling Bumi yang fungsinya sangat penting bagi kehidupan. Dalam udara

terdapat oksigen untuk bernafas, karbondioksida untuk proses fotosintesis dan

ozon untuk menahan sinar ultravioet. Susunan udara bersih dan kering kira-

kira tersusun oleh (Wardhana, W.A. 2004) :

Tabel 2.1 Susunan udara bersih

Komponen Prosentase (%)

Nitrogen (N2) 78,09 %

Oksigen (O2) 21,94 %

Argon (Ar) 0,93 %

Karbondioksida (CO2) 0,0032 %

2.1.1. Penyebab Pencemaran Udara

Pembangunan yang pesat dalam industri dan teknologi diiringi

meningkatnya kuantitas kendaraan bermotor berbahan bakar fosil

membawa dampak buruk pada kualitas udara. (Wardhana, W.A. 2004)

Secara umum penyebab pencemaran udara ada 2 macam, yaitu

a. Faktor internal (alamiah), seperti :

Debu yang beterbangan, abu dari gunung berapi berikut gas-gas

vulkaniknya, proses pembussukan sampah organik, dll.

b. Faktor eksternal (ulah manusia), seperti :

Hasil pembakaran bahan bakar fosil, debu/serbuk hasil kegiatan

industri, pemakaian zat kimia yang dissemprotkan ke udara.

8


2.1.2. Komponen Pencemaran Udara dan Dampaknya

Sudah menjadi rahasia umum dalam dunia pencemar udara, bahwa

gas buangan hasil pembakaran bahan bakar fosil merupakan penyumbang

polutan terbesar. Prosentase komponen pencemar udara berasal dari

sumber transportassi di Indonesia adalah seperti pada tabel 2.2 di bawah.

Tabel 2.2 Prosentase komponen pencemar udara.

Komponen Pencemar Prosentase

CO (Karbon monoksida) 70,50 %

NOx (Nitrogen Oksida) 8,89 %

SOx (Belerang Oksida) 0,88 %

HC (Hidrokarbon) 18,34 %

Partikel 1,33 %

Total 100 %

(Sumber : Wardhana,W.A. 2004)

Dari tabel 2.2 dapat disimpulkan bahwa CO dan HC adalah

pencemar utam yang dihasilkan dari emisi gas buang transportasi di

Indonesia..

Berikut adalah dampak pencemar udara (CO & HC) yang

diakibatkan oleh masing-masing komponen pencemar udara.

a) Karbonmonoksida (CO)

Karbon monoksida merupakan gas beracun yang tidak berbau,

tidak memiliki rasa dan juga tidak berwarna. Dampaknya, lingkungan

yang telah tercemar oleh gas CO tidak dapat dilihat oleh mata manusia.

Sudah sejak lama diketahui bahwa gas CO dalam konsentrasi tinggi

dapat menyebabkan gaangguan kesehatan bahkan dapat menimbulkan

kematian. Berikut adalah dampak konsentrasi gas CO terhadap tubuh

manusia

9


Tabel 2.3 Pengaruh CO di udara pada kesehatan manusia.

Konsentrasi CO di

udara (ppm)

Konsentrasi COHb

dalam darah (%)

Gangguan pada

tubuh

3 0,98 Tidak ada

5 1,3 Belum begitu terasa

10 2,1 Sistem syaraf sentral

20 3,7 Panca indra

40 6,9 Fungsi jantung

60 10,1 Sakit kepala

80 13,3 Sulit bernafas

100 16,5 Pingsan – kematian

( Sumber : Wardhana,W.A. 2004)

b) Hidrokarbon (HC)

Hirdrokarbon merupakan bahan bakar yang tidak terbakar dan

bersifat toksik, apabila konsentrasi HC yang terserap tubuh tinggi dan

tercampur dengan bahan pencemar lainnya maka sifat toksiknya akan

meningkat.

Tabel 2.4. Toksisitas senyawa hidrokarbon (HC)

Senyawa HC Konsentrasi (ppm) Pengaruhnya terhadap tubuh

Benzena

100 Iritasi terhadap mukosa

3.000 Lemas (0,5 – 1 jam)

7.500 Paralysys (0,5 – 1 jam)

20.000 Kematian (5 – 10 menit)

Toluene

200 Pusing, lemas, pandangan kabur

setelah 8 jam

600

Gangguan saraf dan dapat

diikuti kematian setelah kontak

dalam waktu yang lama

(Sumber : Fardiaz, 1992)

10


2.1.3. Ambang Batas Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor

Gambar 2.5 di bawah adalah tabel Peraturan Menteri Negara

Lingkungan Hidup nomor 05 tahun 2006 tentang ambang batas emisi gas

buang kendaraan bermotor lama diperntukan bagi kendaraan bermotor

beroda empat atau lebih dan digunakan sebagai angkutan orang, kendaraan

bermotor beroda empat atau lebih dan digunakan untuk angkutan barang,

kendaraan bermotor penarik untuk gandengan atau temple.

Catatan : < 2007 : berlaku sampai dengan 31 Desember 2006 dan

> 2007 : berlaku mulai tanggal 1 Januari 2007.

Tabel 2.5 Ambang batas emisi gas buang kendaraan bermotor lama.

Kategori Tahun

Pembuatan

Parmeter Metode

Uji CO

(%)

HC

(ppm)

Opasitas

(%HSU)

Berpenggerak motor

bakar cetus api

(bensin)

< 2007

≥ 2007

4.5

1.5

1200

200

Idle

Berpenggerak

motor bakar

penyalaan kompresi

(diesel)

- GW ≤ 3.5

ton

- GW > 3.5

ton

< 2010

≥ 2010

< 2010

≥ 2010

70

40

70

50

Percepatan

Bebas

(Sumber : Kementerian Negara Lingkungan Hidup. 2006.)

11


2.2. Proses Pembakaran Dalam Motor Bensin 4 Langkah

Torak Bergerak naik turun di dalam silinder, titik tertinggi yang

dicapai oleh torak tersebut disebut “titik mati atas” (TMA) dan titik terendah

“titik mati bawah” (TMB) dan pergerakan dalam 2 itu disebut langkah torak.

Pada motor 4 tak mempunyai 4 langkah dalam 1 gerakan. Yaitu gerakan

hisap, kompresi, gerak kerja dan gerak kerja. (Daryanto, 2003)

Gambar 2.1 Proses kerja mesin 4 langkah Otto

2.2.1. Langkah Kerja Mesin Bensin

1. Langkah Hisap

Pada gerak hisap, campuran udara bensin dihisap ke dalam

selinder, hal ini terjadi disebabkan tekanan di dalam lebih rendah dari

tekanan udara luar. Hal yang sama terjadi pada mesin, torak dalam gerakan

turun dari TMA ke TMB menyebabkan kehampaan udara bensin dihisap

ke dalam, selama langkah torak ini katup hisap akan membuka dan katup

buang menutup.

2. Langkah Kompresi

Campuran udara dan bahan bakar dalam raung bakar

dimampatkan oleh torak yang bergerak ke atas (dari TMB ke TMA),

kedua katup hisap dan katup katup buang akan menutup selama gerakan.

Tekanan dan suhu campuran udara dengan bahan bakar menjadi naik, bila

tekanan campuran udara bensin ini ditambah lagi, akan berdampak pada

ledakan yang lebih besar, sekarang torak sudah melakukan dua gerakan

atau satu putaran dan poros engkol berputar satu putaran.

TMA

TMB

1 2 3 4

12


3. Langkah Kerja

Dalam gerak kerja ini campuran udara dengan bahan bakar

memiliki tekanan dan panas, sesaat sebelum torak mencapai titik mati atas

(TMA) busi akan memberikan percikan api dan menyebabkan ledakan

yang menghasilkan tenaga untuk mendorong torak ke bawah meneruskan

tenaga ke penggerak yang nyata, selama gerak ini katup hisap dan katup

tertutup, torak telah melakukan tiga langkah dan poros engkol berputar

satu setengah putaran.

4. Langkah Buang

Torak yang terdorong ke bawah (TMB) akibat ledakan pembakaran

(kerja) akan naik menuju titik mati atas (TMA) untuk mendorong ke luar

gas- gas yang telah terbakar dari silinder. Selama gerak ini hanya katup

buang saja yang terbuka. Bila torak mencapai TMA sesudah melakukan

pekerjaan seperti di atas, torak akan kembali kepada keadaan untuk

memulai gerak hisap, sekarang motor telah melakukan empat gerakan

penuh yaitu: hisap-kompresi-kerja-buang. Poros engkol berputar 2 putaran

penuh dan telah menghasilkan satu tenaga. Membuka dan menutupnya

katup tidak terjadi tepat pada TMA atau TMB dalam kenyataanya, tetapi

akan berlaku lebih cepat atau bisa lebih lambat. Hal ini bertujuan untuk

meningkatkan efektifas aliran gas.

2.2.2. Prinsip Dasar Pembakaran

Pembakaran terjadi karena ada tiga komponen yang bereaksi, yaitu

bahan bakar, oksigen dan panas, jika salah satu komponen tersebut tidak

ada maka tidak ada maka tidak akan timbul reaksi pembakaran.

Gambar 2.2 Skema/gambaran pembakaran sempurna pada mesin bensin

Energi + Gas Buang

Pembakaran

Bahan bakar + Oksigen + Panas

13


Gambaran 2.2 merupakan skema reaksi pembakaran sempurna,

dimana diasumsikan semua bensin terbakar dengan sempurna dengan

perbandingan udara dan bahan bakar 14,7 : 1. (Syahrani, A. 2006)

2.3. Siklus Aktual

Perlu diketahui bahwa pada prakteknya pembakaran dalam mesin tidak

pernah terjadi pembakaran dengan sempurna meskipun mesin sudah

dilengkapi dengan sistem kontrol yang canggih.

Bensin di dalam mesin terbakar disebabkan karena 3 hal yaitu :

pertama bensin dan udara bercampur homogen dengan perbandingan 1:14,7

kemudian campuran tersebut dimanpatkan oleh gerakan piston hingga

tekanan dalam silinder 12 bar atau kurang sehingga menimbulkan panas, da

yang te akhir campuran tersebut bereaksi dengan panas yang dihasilkan oleh

percikan bunga api busi, dan terjadilah pembakaran pada tekanan tinggi

sehingga timbul ledakan dahsyat. Karena pembakaran diawali dengan

percikan bunga api busi maka mesin jenis ini disebut juga spark-ignition

engine atau mesin pengapian busi. (Syahrani, A. 2006)

Kenyatannya tiada satupun yang merupakan siklus volume - konstan,

siklus takanan – konstan, atau siklus tekanan terbatas. Penyimpangan ini

terjadi karena dalam kondisi sebenarnya terjadi banyak kerugian yang antara

lain disebabkan oleh hal-hal berikut (Arismunandar, W. 2005) :

1. Kebocoran fluida kerja karena penyekatan oleh cincin torak dan katup

tak dapat sempurna.

2. Katup tidak dibuka dan tertutup tepat di TMA dan TMB.

3. Fluida kerja bukanlah udara yang dapat dianggap sebagai gas ideal

dengan kalor spesifik yang konstan selama proses siklus berlangsung.

4. Pada motor bakar torak yang sebenarnya, pada waktu torak berada di

TMA, tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara.

Kenaikan tekanan dan temperatur fluida disebabkan oleh proses

pembakaran bahan bakar.

14


5. Proses pembakaran memerlukan waktu, akibatnya proses pembakaran

berlangsung pada volume yang berubah-ubah. Proses pembakaran tidak

terjadi pada volume atau tekanan yang konstan..

6. Terdapat kerugian kalor yang disebabkan perpindahan kalor dari fluida

kerja ke fluida pendingin, terutama pada langkah kompresi, ekspansi dan

pada saat gas buang meninggalkan silinder. Perpindahan kalor tersebut

terjadi karena perbedaan temperatur antara fluida kerja dan fluida

pendingin untuk mendinginkan mesin.

7. Terdapat kerugian energi karena gesekan antara fluida kerja dengan

dinding salurannya dan kerugian energi kalor yang dibawa gas buang.

2.4. Nilai AFR dan Lambda

Nilai λ (lambda) atau AFR (air-fuel ratio) dapat memberikan

gambaran kondisi suatu mesin. Kualitas pembakaran akan sangant berdampak

pada emisi gas buang yang dihasilkan, sehingga untuk mengetahui kadar

emisi gas buang maka alat uji emisi dilengkapi dengan pengukur λ (lambda).

Teori stoichiometric menyatakan 1 gram bahan bakar dapat terbakar

sempurna dengan 14,7 gram oksigen, dengan kata lain campuran pembakaran

ideal = 14,7 : 1. Perbandingan ini disebut perbandingan udara dan bahan

bakar (AFR). lambda (λ) merupakan perbandingan antara dua AFR, yaitu

AFR kondisi sesungguhnya dengan AFR teori stoichiometric (14,7 : 1).

lambda dirumuskan dalam perhitungan sebagai berikut :

𝜆 = Jumlah udara sesungguhnya

Teori Stoichiometri………… . . (2.1)

Jika jumlah udara sesungguhnya 14,7 maka :

λ = 14,7 / 14,7 :1

λ = 14,7 / 14,7

λ = 1

Artinya :

λ = 1 (mengindikasikan campuran pembakaran ideal)

λ > 1 (campuran kering, pembakaran memiliki udara berlebih)

λ < 1 (campuran basah, pembakaran memiliki bahan bakar berlebih)

15


Gambar 2.3 menerangkan konversi yang tinggi (> 80-90%) dari CO,

HC dan NOx yang dicapai secara bersamaan jika A / F-rasio di bawah 14,7.

Jika A / F-rasio melebihi 14,7, mesin beroperasi di bawah kondisi kering

(kelebihan oksogen). Reaksi reduksi dari NOx akan lebih baik dalam kondisi

basah (kurang oksigen), sedangkan dalam kondisi kurus mendukung reaksi

oksidasi katalitik dari CO dan HC.

Gambar 2.3 Grafik efisiensi perbandingan udara dengan bahan bakar

(Lassi, U. 2003)

Gambar 2.3 menjelaskan bahwa untuk mencari upaya penurunan

emisi CO, HC dan NOx pada waktu bersamaan adalah sulit, diasumsikan

mesin memiliki kondisi normal dengan kecepatan konstan, pada kondisi AFR

kurus CO dan HC memiliki konsentrasi rendah namun pada saat itu

konsentrasi NOx sebaliknya (meningkat), hal tersebut berlaku pada kondisi

sebaliknya (AFR kaya) konsentrasi NOx rendah akan tetapi CO dan HC

meningkat. Persamaan AFR dan λ (lambda) ditabelkan pada tabel 2.6.

16


Tabel 2.6 Persamaan AFR dan Lambda (λ)

AFR Lambda (λ) AFR Lambda (λ)

5 0,340 15 1,020

6 0,408 15,5 1,054

7 0,476 16 1,088

8 0,544 16,5 1,122

9 0,612 17 1,156

10 0,680 17,5 1,190

11 0,748 18 1,224

12 0,816 18,5 1,259

13 0,884 19 1,293

14 0,952 19,5 1,327

14,7 1,000 20 1,361

(Sumber : Syahrani, A. 2006)

2.5. Gas Buang

Akhir-akhir ini gas buang dari mobil sangat menarik perhatian karena

ia dapat mengotori udara, bahkan dapat mengganggu kesehatan.

2.5.1. Karbon Monoksida (CO)

Banyaknya CO dari gas buang tergantung dari perbandingan

bahan bakar dan udara. Hal ini dapat dicapai pada perbandingan secara

teoritis 14,7 : 1. Perbandingan sebesar ini selama motor berjalan jarang

dipertahankan, karena kualitas campuran selalu berubah-ubah dengan

frekuensi putar dan pembebanan motor. (Arends , B. 1980)

Karbon monoksida merupakan senyawa yang tidak berwarna dan

tidak berbau namun merupakan gas beracun. Emisi gas CO disebabkan

karena kondisi operasi kaya (kurang oksigen). Kurangnya oksigen dalam

proses pembakaran menyebabkan ketidakmampuan berubahnya karbon

(C) dalam bahan bakar menjadi karbondoksida CO2. (Ganesan, V. 2008)

17


2.5.2. Hidrokarbon (HC)

Hidrokarbon adalah bahan bakar mentah yang tidak terbakar

selama proses pembakaran di dalam ruang bakar yang berasal dari bahan

bakar mentah. HC merupakan bahan bakar mentah yang tesisa dekat

dengan dinding silinder karena gas yang tidak terbakar dalam ruang bakar

setelah terjadi gagal pengapian pada saat mesin diakselerasi ataupun

deselerasi. (Sumber : Arends , B. 1980)

Semakin tinggi konsentrasi HC hasil pembakaran maka

menunjukan performance mesin yang kurang bertenaga dan konsumsi

bahan bakarnya banyak. Kandungan HC yang tinggi diakibatkan oleh

adanya kerusakan pada catalytic converter dan kerusakan mekanis pada

bagian dalam mesin seperti klep, mesin ring atau selinder. Untuk

mencegah ini perlu dilakukan penyetelan dan perbaikan di daerah tersebut

seperti penyetelan ulang klep, penggantian ring dan overhaul.

Berikut adalah penyebab timbulnya hidrokarbon (HC) (Ganesan,

V. 2008) :

a. Terjadi gagal pengapian

b. Terjadi kebocoran (tekanan) pada ring piston.

c. Kebocoran pada katup buang.

d. Adanya overlaping katup (kedua katup bersama-sama terbuka)

e. Sekitar dinding-dinding ruang bakar bertemperatur rendah, dimana

temperatur itu tidak mampu melakukan pembakaran.

f. Minyak (oli) yang masuk pada ruang bakar. (Minyak adalah senyawa

hidrokarbon dengan berat molekul tinggi yang tidak mudah terbakar

seperti bensin).

18


Dalam gas buang terdapat pula HC yang belum terbakar.

Banyaknya tergantung dari keadaan waktu berjalan seperti yang

ditunjukkan pada tabel berikut.

Tabel 2.7 HC dalam situasi pembakaran.

Situasi pembakaran Prosentase HC yang belum terbakar

Stasioner 17 %

Akselerasi 7 %

Kecepatan normal 13 %

Mengerem mendadak 63 %

(Sumber : Arends , B. 1980)

Pada saat motor direm, akan mencapai presentase tinggi hal ini

karena kehampaan di katup gas lebih tinggi dari berputar stasioner

2.6. Teknologi Pengontrol Emisi

Negara-negara maju terdapat banyak teknologi pengontrol emisi yang

telah dilakukan untuk mereduksi gas buang yang berbahaya pada kendaraan

bermotor. Metode dan teknik yang digunakan ada beberapa macam, antara

lain dengan jalan melakukan pemilihan bahan bakar yang tepat, pemilihan

proses dan perawatan mesin. Guna mereduksi emisi gas buang kendaraan

bermotor terdapat beberapa metode yang biasa digunakan antara lain :

(Irawan, B. 2003):

1. Modifikasi mesin.

2. Modifikasi pada saluran gas buang.

3. Modifikasi penggunaan bahan bakar atau sistem bahan

bakarnya.

Tugas akhir ini menggunaakan metode kedua untuk mereduksi emisi

gas buang kendaraan bermotor yaitu dengan pembuatan dan pemasangan

catalytic converter pada saluran gas buang.

19


2.7. Gambaran Umum Catalytic Converter

2.7.1. Katalis

Katalis (catalyst) ialah zat yang meningkatkan laju reaksi kimia

tanpa ikut terpakai. Katalis dapat bereaksi membentuk zat antara, tetapi

akan diperoleh kembali dalam tahap reaksi berikutnya. (Chang, R. 2005)

Di dunia industri katalis telah digunakan secara luas, terutama pada

industri kimia. Dalam dunia automotif, katalis juga dapat digunakan

terutama untuk menangani masalah emisi gas buang.

2.7.2. Catalytic Converter

Catalytic Converter merupakan alat yang berfungsi untuk

mengubah polutan yang membahayakan pada gas buang menjadi gas yang

tidak membahayakan. Alat ini dipasang pada sistem pembuangan.

Bahan aktif yang digunakan untuk mengoksidasi CO HC dan NOx

(biasanya berupa logam mulia) harus dirancang agar emisi yang

didistribusikan dapat melalui luas area permukaan katalis, permukaan

katalis aktif yang cukup untuk memungkinkan hampir 100% terkonversi

menjadi gas buang yang tidak membahayakan dengan aktivitas katalitik

yang tinggi. (Ellyanie. 2011)

Gas beracun sisa hasil pembuangan CO dan HC dalam sistem

pembuangan dapat dioksidasi jika suhu mencapai 600 °C – 700 °C, namun

aktivasi oksidasi CO dan HC akan cepat berjalan saat catalitic converter

dipasang, temperatur yang dibutuhkan 250 °C – 300 °C mampu membuat

katalis bekerja. (Ganesan, V. 2008)

20


Gambar 2.4 Konversi efisiensi catalytic converter terhadap temperature

Gambar 2.4 menunjukan bahwa efisiensi dari catalytic converter

sangatlah dipengaruhi dari temperatur. Ketika catalytic converter yang

masih dalam kondisi baik bekerja dalam suhu 400 ºC atau lebih, maka

akan dapat mengurangi 98-99 % konsentrasi CO, 95 % NOx dan lebih dari

95 % konsentrasi HC. (Ganesan, V. 2006)

2.8. Prinsip kerja Catalytic Converter

Pertamakali mesin kendaraan dioperasikan tidak akan membuat

Cataltic converter bekerja. Cataltic converter tidak efisien jika beroperasi

dalam keadaan dingin (Gb 2.4). Dibutuhkan beberapa menit untuk

mengkondisikan cataltic converter supaya siap dalam kondisi kerjanya.

Merambatnya panas dari gas buang dan panas dari material pipa exhaust ke

cataltic converter akibat proses pembakaran dari ruang bakar mesin akan

menaikan temperature cataltic converter.

21


Menginjak temperature 250 ºC - 300 ºC cataltic converter mulai

bekerja dengan efisiensi 50% dalam mengurangi emisi gas buang mesin.

(Ganesan, V. 2006) Kemampuan cataltic converter akan terus meningkat

seiring meningkatnya panas yang diterima katalis dari gas buang hasil

pembakaran mesin.

Berikut tahapan proses reduksi dan oksidasi di dalam cataltic

converter (Ellyanie. 2011) :

a. Tahap awal dari proses yang dilakukan pada katalitik konverter adalah

reduction catalyst.

Tahap ini menggunakan platinum dan rhodium untuk membantu

mengurangi emisi NOx. Saat molekul NOx bersinggungan dengan

katalis, sirip katalis menahannya untuk sementara. Oksigen yang ada dan

tertahan katalis diubah ke bentuk O2. Atom nitrogen yang terperangkap

dalam katalis tersebut diikat dengan atom nitrogen lainnya sehingga

terbentuk format N2

b. Tahap kedua dari proses di dalam katalitik konverter adalah oxidization

catalyst.

Proses ini mengurangi HC dan CO yang tidak terbakar di ruang

bakar dengan proses oxidizing melalui katalis. Katalis ini membantu

reaksi CO dan HC dengan oksigen yang ada di dalam gas buang.

Saat molekul HC bersinggungan dengan sirip katalis, akan

terpecah menjadi molekul H dan C, dimana masing-masing molekul akan

bereaksi dengan oksigen yang menempel pada katalis sehingga akan

menjadi H2O dan CO2.

Molekul CO yang bersinggungan dengan katalis akan menempel

dan menyatu dengan oksigen lain yang menempel dengan sirip katalis

sehingga CO akan berubah menjadi CO2.

22


c. Tahap ketiga adalah pengendalian sistem yang memonitor arus gas

buang.

Informasi yang diperoleh dipakai lagi sebagai kendali sistem

injeksi bahan bakar. Terdapat sensor oksigen yang diletakkan sebelum

catalytic converter. Sensor ini memberi informasi ke Electronic Control

System (ECS) seberapa banyak oksigen yang ada di saluran gas buang.

ECS akan mengurangi atau menambah jumlah oksigen sesuai

perbandingan udara-bahan bakar. Skema pengendalian membuat ECS

memastikan kondisi mesin mendekati rasio stoikiometri dan memastikan

ketersediaan oksigen di dalam saluran buang untuk proses oxidization

HC dan CO yang belum terbakar. (Ellyanie. 2011)

Tahapan ke 3 tidak berlaku pada penelitian tugas akhir ini. Hal ini

disebabkan engine pengujian masih menganut sistem pembakaran

konvensional (karburator) sehinggaa tidak dilengkapi Electronic Control

System (ECS).

Berikut memperlihatkan daerah operasi katalitik oksidasi dan

katalitik oksidasi. Daerah yang gelap merupakan daerah operasi sekitar λ =

1 ± 1%.

Gambar 2.5 Daerah operasi three way catalytic converter. (Ellyanie. 2011)

23


2.9. Mekanisme Reaksi Catalytic Converter

Reaksi oksidasi karbonmonooksida dengan katalis berlangsung dengan

menggunakan oksigen sebagai oksidatornya. Reaksi tersebut berlangsung

pada permukaan katalis oksida logam tersebut. Reaksi pada permukaan

katalis dapat diuraikan menurut :

1. Mekanisme Mars-Van Krevelen

Oksidasi CO berlangsung melalui adsorpsi CO pada katalis diikuti

terjadinya reaksi CO dengan atom O dari katalis kemudian melepas CO2

sebagai hasil reaksi. (Razif, M., J. Nugroho, et al. 2005)

2. Mekanisme Langmuir-Hinshelwood

Molekul CO dapat mengalami kondensasi di atas permukaan

katalis dan atom oksigen berada disampingnya, selanjutnya keduanya

berinteraksi di permukaan katalis dan terbentuk ikatan baru. (Razif, M., J.

Nugroho, et al. 2005)

Gambar 2.6 Mekanisme reaksi oksidasi CO menurut Langmuir-Hinshelwood

co O2 CO2

CO2

24


3. Mekanisme Eley-Rideal

Hanya oksigen teradsorpsi pada permukaan katalis, sedangkan

karbonmonoksida dapat mengalami ikatan dengan oksigen selama proses

tumbukan.

Gambar 2.7 Skema mekanisme reaksi oksidasi CO menurut Eley-Rideal

(Razif, M., J. Nugroho, et al. 2005)

2.10. Tipe Catalytic Converter

Cataytic converter memiliki berbagai macam bentuk, namun secara

garis besar dapat digolongkan menjadi tiga golongan yaitu :

2.10.1. One-way atau Cataytic Converter Oksidasi

Fungsi katalis oksidasi adalah mengubah CO dan HC menjadi CO2

dan H2O dalam uap gas buang. Dibutuhkan peningkatan oksigen atau

udara lebih untuk proses oksidasi. (Sideris, M. 1998)

co O2 CO

2

CO

2

25


Gambar 2.8 Cataytic Converter Oksidasi (Irawan, B. 2003)

2.10.2. Two-way Cataytic Converter

Pada sistem ini terdiri dari dua susunan sistem katalis yang

dipasang segaris. Sistem pertama merupakan catalytic reduksi yang

digunakan untuk merubah NOx menjadi ammonia (NH3) melalui proses

reduksi, sedangkan sistem kedua menurunkan emisi HC dan CO menjadi

H2O dan CO2 melalui proses oksidasi. Mesin yang dilengkapi dengan

sistem ini biasanya dioperasikan pada campuran kaya untuk mengkonversi

NOx, (λ < 1). System ini bias digunakan pada mesin karburator yang

belum menggunakan control elektronik. (Sideris, M. 1998)

Gambar 2.9 Two-way cataytic converter (Irawan, B. 2003)

26


2.10.3. Three-way Cataytic Converter

Sistem ini dirancang dengan kemampuan untuk menghilangkan

tiga polutan utaama gas buang seperti CO, HC dan NOx yang keluar dari

sistem gas buang. Kondisi utama sistem ini menggunakan kontrol (lambda

sensor) sebagai kendali sistem injeksi bahan bakar, sehingga ECU akan

memperoleh informasi AFR gas buang sebelum masuk catalytic converter

yang kemudian diolah kembali sehingga didapati λ yang mendekati nilai

stoichiometri. (Sideris, M. 1998)

Gambar 2.10 Three-way cataytic converter (Irawan, B. 2003)

2.11. Katalis

2.11.1. Tembaga (Cu)

Tembaga merupakan salah satu unsur logam transisi yang

berwarna coklat kemerahan. 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)

Karena Cu mempunyai sifat mampu alir 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, konduktivitas kalor 410 W/m.K serta

mempunyai kemampuan St 37. (Sunardi, 2006)

27


Gambar 2.11 Katalis tembaga (Cu) ) (Irawan, B. 2012)

2.11.2. Mangan (Mn)

Mangan merupakan salah satu unsur logam transisi golongan VII

B. Mangan didapat dengan mereduksikan karbon di dalam dapur pelebur.

Mangan murni memiliki sifat keras dan rapuh. Mangan seperti halnya

paduan Nikel bisa membersihkan sulfur dalam baja, meningkatnkan

tegangan paduan baja, meningkatkan ketahanan gesek.

Paduan Mn banyak dipakai sebagai bahan pembuat bagian mesin

yang keras tahan pukul dan tahan panas/gesek. Mangan mempunyai titik

lebur 1245° C, titik didih 2508° C , kapasitas panas 0,48 j/g K serta

konduktivitas kalor 7,82 W/m.K (Sunardi, 2006)

(a) (b)

Gambar 2.12 (a)Serbuk mangan (Mn) (Irawan, B. 2012) dan (b) Katalis

tembaga berlapis mangan (Cu Mn) ) (Irawan, B. 2012)

28


2.12. Pelapisan Tembaga (Cu) dengan Mangan (Mn)

2.12.1. Persiapan Spesimen Plat Tembaga (Cu)

Langkah awal dimulai dengan membersihkan spesimen (plat

tembaga) dari minyak maupun kotoran lain. Spesimen dibersihkan

menggunakan sikat dan kain dengan bantuan larutan degresing yang

dicampur dengan air. Perbandingannya adalah 10 : 1 (10 air : 1

degresing).

2.12.2. Persiapan Pelapisan dan Proses Pelapisan

Mangan serbuk yang bebas dari kotoran dicampurkan dengan air

menggunakan perbandingan 1 : 1 kemudian dipanaskan sampai dengan

temperatur 100 °C hingga larutan benar-benar homogen atau tercampur

dengan baik.

Siapkan tempat baru untuk mencampurkan larutan mangan yang

sudah homogen dengan tiner dengan perbandingan 1 : 1. Larutkan hingga

benar-benar tercampur merata.

Siapkan plat tembaga yang sudah kering dan bersih dari kotoran.

Semprotkan larutan mangan dengan bantuan kompresor ke seluruh

permukaan tembaga hingga larutan bisa melekat dengan baik.

2.13. Orifice Plate Flowmeter

2.13.1. Pengertian Orifice

Pengukuran aliran adalah untuk mengukur kapasitas aliran, massa

laju aliran, volume aliran. Pemilihan alat ukur aliran tergantung pada

ketelitian, kemampuan pengukuran, harga, kemudahan pembacaan,

kesederhanaan dan keawetan alat ukur tersebut. Dalam pengukuran fluida

termasuk penentuan tekanan, kecepatan, debit, gradien kecepatan,

turbulensi dan viskositas. Terdapat banyak cara melaksanakan

pengukuran-pengukuran.

Orifice adalah salah satu alat pengukur aliran fluida yang

menghasilkan perbedaan tekanan udara untuk menentukan laju aliran masa

dari aliran.

29


Concentric Orifice merupakan jenis orifice yang paling banyak

digunakan. Profil lubang orifice ini mempuyai kemiringan 45° pada tepi

bagian downstream (lihat gambar 2.13 di bawah). Hal ini akan mengurangi

jarak tempuh dari aliran tersebut mengalami perbedaan tekanan melintang.

Setelah aliran melewati orifice akan terjadi penurunan tekanan dan

kemudian mencoba kembali ke tekanan semula tetapi terjadi sedikit

tekanan yang hilang permanen (permanent pressure loss) sehingga

perbedaan tekanan upstream dan downstream tidak terlalu besar.

Perbandingan diameter orifice dan diameter dalam pipa

dilambangkan dengan “β”. Orifice jenis ini memiliki ketentuan untuk nilai

d = d / D yaitu antara 0.2-0.7 karena akurasinya akan berkurang untuk

nilai diluar batas tersebut. (Retrieved 08 April, 2013)

Gambar 2.13 Concentric Orifice

30


Gambar 2.14 memperlihatkan piranti dasar dari orfice yang

pemakaiannya disarankan oleh Organisasi Internasional untuk Standarisasi

(ISO). (White, F. M. 1986)

2.13.2. Prinsip dan Persamaan Dasar

Pada dasarnya orifice berupa plat tipis dengan lubang di bagian

tertentu (umumnya di tengah). Fluida yang mengalir melalui pipa ketika

sampai pada orifice akan dipaksa untuk melewati lubang pada orifice. Hal

itu menyebabkan terjadinya perubahan kecepatan dan tekanan. Titik

dimana terjadi kecepatan maksimum dan tekanan minimum disebut vena

contracta. Setelah melewati vena contracta kecepatan dan tekanan akan

mengalami perubahan lagi. Dengan mengetahui perbedaan tekanan pada

pipa normal dan tekanan pada vena contracta, laju aliran volume dan laju

aliran massa dapat diperoleh dengan persamaan bernoulli dan persamaan

kontinuitas.

Tebal plat orifice: ≤ 0.1 D

D

d

Arah Aliran

45°-60° Sudut Lereng

Tebal pinggiran:

≤ 0,02D

Gambar 2.14 Profil lubang plat tipis / plat Orifice

(Streeter, V. L. and E. B. Wylie. 1995.)

31


Gambar 2.15 Perubahan kecepatan dan tekanan melalui meteran penghalang

Bernoulli. (White, F. M. 1986)

Beda tekanan pada manometer pipa (P1 – P2)

P1 – P2 = ρhg . g. ∆h (2.2)

Persamaan Bernouli :

2

2

221

2

11

22gz

VPgz

VP

(2.3)

2

1

2

2

221 1

2 V

VVPP

(2.4)

Subtitusi persamaan :

2

1

2

2

221 1

2 A

AVPP

Sehingga 2V teoritis :

𝑉2 = 2(𝑃1 − 𝑃2)

𝜌. 1 − 𝛽4 (2.5)

32


Persamaan Kontinuitas :

CV CSAdVd

t

.0

2221110 AVAV

2211 AVAV

4

1

2

2

1

2

2

2

1

D

D

A

A

V

V (2.6)

Dimana :

𝑄1 = 𝑄2

𝑉1𝐴1 = 𝑉2 𝐴2

𝑉1 = 𝑉2 𝐴2

𝐴1

𝑉1 = 𝑉2 𝛽2 (2.7)

𝑉1 = 𝑉2 𝐷2

𝐷1

2

𝑅𝑒 = 𝜌 𝑉1 𝐷1

𝜇 =

𝑉1 𝐷1

𝛾 (2.8)

Persamaan mengabaikan bebeperapa faktor seperti gaya gesek,

untuk mengurangi ketidaksesuaian tersebut ditambahkan satu koefisien

baru yaitu Cd (discharge coefficient). (Subri, M. 2012)

Nilai discharge coefficient (Cd) ASME merekomendasikan

persamaan yang dikembangkan oleh ISO adalah sebagai berikut.

𝐶𝑑 = 0,5959 + 0,0312 𝛽2,1 − 0,184𝛽2,1 + 91,71 𝛽2,5 𝑅𝑒1−0,75 +

0,09𝛽4

1 − 𝛽4

− 0,0337𝛽3𝐹2 (2.9)

Dimana : 𝐷2/𝐷1 = β sehingga 𝐴2/𝐴1 2 = 𝐷2/𝐷1

4 = 𝛽4

33


Gambar 2.16 Berbagai tipe taping pada Orifice Flowmeter. (Edwards, K. 2013)

Nilai 1F dan 2F berdasar pada posisi tap seperti pada Gambar 2.16

adalah sebagai berikut: (Subri, M. 2012)

Corner taps : 1F =0 2F =0

D; 1/2D taps : 1F =0,4333 2F =0,47

Flange taps : 1F =1/D (in) 2F =1/D (in) (2.10)

Dengan rumus persamaan 2.9 yang telah diperolah, maka laju aliran

massa (𝑚 ) untuk fluida inkompresibel adalah :

22

1

2

21

22

1

2A

A

A

PPAVmteoritis

214

2 21

PPAC

m d

ṁ =𝐶𝑑 𝛽 𝜋 (𝑑)2

1 − 𝛽4 2 𝜌 (𝑃1 − 𝑃1) (2.11)

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pencemaran...

Documents

Transcript of BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pencemaran...