Akta Kimindo Vol. 2 No. 1 Oktober 2006: 25 – 30
AKTA KIMIA
INDONESIA
Analisa Pengaruh Penggunaan Logam Tembaga sebagai Katalis pada Saluran Gas Buang Mesin Bensin Empat Langkah Terhadap Konsentrasi Polutan Co DAN HC* Mohamad Hakam** dan Djoko Sungkono Jurusan Teknik Mesin Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya Kampus ITS Keputih, Surabaya 60111
ABSTRAK Saluran gas buang mempunyai beberapa fungsi, tidak hanya untuk meredam suara yang timbul akibat adanya tekanan gas yang keluar dari ruang bakar, akan tetapi apabila didesain dengan benar, maka akan dapat mengurangi konsentrasi polutan yang timbul dan dapat meningkatkan unjuk kerja mesin. Untuk mendapatkan hasil yang baik dalam mengurangi konsentrasi polutan CO dan HC dari gas buang, salah satu usaha yang dilakukan adalah dengan menambahkan katalis tembaga kedalam saluran gas buang. Metode yang dilakukan adalah dengan membuat saluran gas buang menjadi kelompok kontrol dan kelompok uji. Kelompok kontrol adalah knalpot yang terdiri dari knalpot standard pabrik, knalpot straight through pipa baja, dan knalpot straight through pipa tembaga dan dari kelompok kontrol tersebut dipilih satu knalpot yang menghasilkan unjuk kerja terbaik untuk dibandingkan dengan kelompok uji, sedangkan kelompok uji adalah knalpot straight through pipa tembaga yang diisi dengan katalis tembaga dalam bentuk serabut dengan memvariasikan berat serabut tersebut. Variasi berat yang penulis tentukan adalah 120 gr, 140 gr, 160 gr, 180 gr, 200 gr, 220 gr, dan 240 gr. Penelitian dilakukan dengan membandingkan data hasil percobaan dari kelompok kontrol terbaik dengan saluran gas buang modifikasi ditambahkan katalis tembaga sebagai kelompok uji. Dari penelitian ini didapatkan penurunan konsentrasi polutan CO dan HC yang cukup signifikan jika dibandingkan dengan knalpot dari kelompok kontrol. Penurunan tertinggi diperoleh dengan variasi berat serabut tembaga 200 gram yang diisikan pada kelompok uji. Konsentrasi polutan gas HC turun 33,53 %, sedangkan konsentrasi polutan gas CO turun 47,53%. Kata Kunci : Polutan, Saluran Gas Buang, Katalis, Tembaga. ABSTRACT There are some exhaust muffler functions, not only noise reduction caused by gas pressure come out of flaming part but also emission reduction to enhance engine performance if it has been designed correct and properly. In order to get fine result as well as CO and HC emission reduction from exhaust gas, we can add copper catalyst inside exhaust muffler. This experience method conducted by creating exhaust muffler as control group and test group. Control group consist of some exhaust mufflers such as standard manufactory muffler, steel tube straight through muffler, and copper tube straight through muffler. Test group consist of copper tube straight through muffler which filled by fiber copper catalyst with weight fiber variations. Specified weight variations are given by writer as 120 gr, 140 gr, 160 gr, 180 gr, 200 gr, 220 gr, and 240 gr.
*
**
Makalah ini disajikan pada Seminar Nasional Kimia VIII, di Surabaya 8 Agustus 2006 Corresponding author Phone : -; Fax : -; e-mail: -
© Kimia ITS – HKI Jatim
25
Hakam dan Djoko-Analisa Pengaruh Penggunaan Logam Tembaga sebagai Katalis pada Saluran Gas Buang Mesin Bensin
Research examination is performed by observing result data examinations from 4 strokes fuel engine (Honda Karisma) in standard condition with exhaust muffler modification plus no-catalyst adding compare with exhaust muffler modification plus copper catalyst adding. By this research we found out significant CO and HC emission reduction if we compared between standard manufactory and modification muffler. The highest reduction is achieved from 200 gr fiber copper variation filled into test group. HC pollutant concentration reduced 33,53% and CO reduced 47,53%. Keywords: Pollutant, Exhaust Muffler, Catalyst, Copper. PENDAHULUAN Salah satu usaha untuk mengurangi polusi udara adalah dengan merancang kendaraan bermotor yang menghasilkan gas buang berkonsentrasi polutan rendah. Dalam penelitian ini, penulis hanya membahas konsentrasi polutan yang dihasilkan oleh sistem saluran gas buang dari sepeda motor 4 langkah yang mempunyai silinder tunggal. Tujuan dari penelitian ini adalah membuat saluran gas buang yang dilengkapi dengan katalis tembaga, serta untuk mengetahui pengaruh katalis tersebut terhadap penurunan kadar karbon monoksida (CO) dan hidrokarbon (HC) dalam gas buang, tanpa mempengaruhi penurunan unjuk kerja dari sepeda motor Honda Kharisma yang mempunyai silinder tunggal dan empat langkah torak. Diharapkan penelitian ini memiliki manfaat yaitu didapatkan udara bersih dengan tingkat polusi yang rendah dan memperoleh saluran gas buang yang memiliki unjuk kerja yang bagus. TINJAUAN PUSTAKA Beragam eksperimen dengan bahan yang berbeda ataupun sama telah dilakukan para peneliti sebelumnya antara lain : Javavonic et al., (1995), menggunakan bahan Ruthenium (Ru) sebagai katalis untuk mengontrol
konsentrasi polutan HC pada gas buang otomotif, dan hasilnya bahwa katalis Ruthenium dapat mengkonversi gas HC kurang dari 80%. Nomura et al., (1994), menggunakan bahan Pt untuk Three-Way- Catalyst untuk mengetahui bahan tersebut terhadap konsentrasi polutan gas CO, HC, dan NOx pada kendaraan bermotor, dan hasilnya katalis Pt dapat mengurangi konsentrasi polutan gas CO, HC, dan NOx sampai 90 %. Jingga, I.N. (2000), menggunakan bahan Mangan (Mn) sebagai katalis, untuk mengetahui pengaruhnya terhadap konsentrasi polutan gas CO, HC, dan NOx pada gas buang motor bensin 4 langkah, dan dari hasil penelitiannya menunjukkan bahwa gas NOx tidak ada perubahan, gas CO turun sebesar 16,47%, sedangkan gas HC turun sebesar 24,46%. METODOLOGI PENELITIAN Benda uji yang dipakai pada penelitian ini terdiri dari dua jenis yaitu : a. Kelompok kontrol Yang dipakai sebagai benda uji kelompok kontrol pada penelitian ini adalah knalpot (exhaust system) sepeda motor Honda Karisma standar pabrik (K1), knalpot dengan pipa baja straight through (K2), dan knalpot dengan pipa tembaga straight through tanpa katalis (K3).
Gambar 1. Model knalpot standart pabrik (K1)
26
© Kimia ITS – HKI Jatim
Akta Kimindo Vol. 2 No. 1 Oktober 2006: 25-30
Gambar 2. Model kanlpot kelompok kontrol 2,3, dan kelompok uji yang diisi katalis. c. Skema Peralatan
SPL METER
Thermocouple
ENGINE BLOWER
KNALPOT
TACHOMETER
WATER BRAKE DYNAMOMETER
FUEL GAS ANALIZER Gambar 3. Skema Peralatan
b. Kelompok uji Yang menjadi kelompok uji pada penelitian ini adalah knalpot sepeda motor Honda Karisma yang sudah dimodifikasi muffler-nya dan diberi aktif metal katalis dari logam tembaga yang dibubut pada muffler-nya, selanjutnya disebut sebagai catalytic muffler. Selanjutnya katalis tersebut dimasukkan ke dalam ruang antar bafel, dari knalpot yang sudah dimodifikasi dengan variasi berat : 240 gram, 220 gram, 200 gram, 180 gram, 160 gram, 140 gram dan 120 gram. Unjuk Kerja Mesin Empat Langkah Dasar pengukuran yang digunakan untuk mengevaluasi performance suatu engine meliputi :
F .2.π .r.n Daya (P) = 60.75 [hp]
Break mean effective pressure (BMEP)
=
0,45.P.z A.L.n.i [kg/cm2] 3600.ρ .V = P.t
Spesific Fuel Consumption (Sfc) [kg/hp-jam] Efisiensi thermal (ηth ) =
632,5 × 100% Sfc . Q Konsentrasi polutan gas buang, dalam hal ini polutan CO dan HC.
Torsi = F. r [kg.m]
© Kimia ITS – HKI Jatim
27
Hakam dan Djoko-Analisa Pengaruh Penggunaan Logam Tembaga sebagai Katalis pada Saluran Gas Buang Mesin Bensin
dan HC. Penurunan konsentrasi HC dan CO dapat dilihat seperti ditunjukkan pada gambar 4 dan 5.
HASIL DAN PEMBAHASAN Penambahan katalis tembaga menghasilkan unjuk kerja mesin yang meningkat, serta dapat menurunkan konsentrasi polutan CO
Grafik HC Vs Putaran Mesin 250 230 210 190 kontrol 3
HC (ppm)
170
120 gr Cu 160 gr HC
150
180 gr HC 200 gr HC
130
220 gr HC 240 gr HC
110
140 gr Cu 90 70
8780
8415
8050
7685
7319
6954
6589
6224
5858
5493
5128
4763
4397
4032
3667
3302
50
Putaran Mesin (rpm)
Gambar 4 . Hubungan putaran mesin terhadap polutan CO Grafik HC Vs Putaran Mesin 250 230 210 190 kontrol 3
HC (ppm)
170
120 gr Cu 160 gr HC
150
180 gr HC 200 gr HC
130
220 gr HC 240 gr HC
110
140 gr Cu 90 70
8780
8415
8050
7685
7319
6954
6589
6224
5858
5493
5128
4763
4397
4032
3667
3302
50
Putaran Mesin (rpm)
Gambar 5. Hubungan putaran mesin terhadap polutan HC
28
© Kimia ITS – HKI Jatim
Akta Kimindo Vol. 2 No. 1 Oktober 2006: 25-30
Adanya CO pada gas buang diakibatkan oleh karena pembakaran yang terjadi di dalam ruang bakar tidak sempurna, yang disebabkan oleh kurangnya jumlah udara dalam campuran yang masuk kedalam ruang bakar atau bisa juga kurangnya waktu yang tersedia untuk menyelesaikan waktu pembakaran. Konsentrasi polutan CO tinggi ketika idling dan mencapai minimum ketika akselerasi dan pada kecepatan konstan. Penutupan throtle yang mana akan mereduksi suplai oksigen (O2) ke ruang bakar adalah faktor utama timbulnya CO, sehingga perlambatan dari kecepatan tinggi akan menghasilkan CO tertinggi pada gas buang kendaraan bermotor. CO juga sangat ditentukan oleh kualitas campuran, homogenitas dan perbandingan udara dan bahan bakar. Kurangnya O2 dalam campuran akan mengakibatkan karbon bereaksi tidak sempurna, sehingga terbentuk CO. CO juga cenderung bereaksi pada temperatur pembakaran yang tinggi. Meskipun campuran miskin jika temperatur pembakaran terlalu tinggi, maka O2 yang telah terbentuk dalam karbon dioksida (CO2) bisa berdisosiasi membentuk CO dan O2. Dari gambar 4 dapat diketahui bahwa penambahan logam tembaga sebagai catalytic converter pada saluran gas buang berpengaruh terhadap konsentrasi polutan CO yang dihasilkan oleh mesin standar. Pada semua putaran mesin terjadi penurunan kadar konsentrasi polutan CO ratarata sebesar 47,53 % bila dibandingkan pada pengujian dengan menggunakan saluran gas buang standar (K3). Penambahan berat serabut tembaga pada saluran gas buang akan menurunkan konsentrasi polutan CO, hal ini bisa dipahami bahwa dengan adanya katalis tembaga didalam saluran gas buang, maka, katalis akan menjadi naik temperaturnya. Dengan naiknya temperatur katalis maka kecepatan reaksi untuk terbentuknya CO2 semakin cepat, sehingga sebagian gas CO akan bereaksi dengan O2 untuk membentuk gas CO2. Dengan terbentuknya CO2, maka konsentrasi polutan CO dalam gas buang akan menurun. Akan tetapi pemberian katalis ada batas optimumnya, dimana jika katalis yang diisikan terlalu padat, maka gas buang tidak bisa berkontak dengan katalis, sehingga temperatur katalis juga menurun, yang mengakibatkan kecepatan reaksi oksidasi untuk terbentuknya O2 akan berkurang. Dari gambar 4 dan 5 dapat dilihat bahwa penambahan katalis yang paling efektif adalah pada berat serabut tembaga 200 gr. Sedangkan dari gambar 4 dapat dilihat perbandingan pemberian logam katalis terbaik (200 gr) dengan saluran gas buang standar (kontrol 3) terjadi penurunan konsentrasi polutan CO rata-rata untuk semua putaran sebesar 47,53%. HC yang tidak terbakar adalah akibat langsung dari ketidaksempurnaan pembakaran, © Kimia ITS – HKI Jatim
yang erat kaitannya dengan engine desain dan variabel operasi. Selama proses kompresi dan pembakaran kenaikan tekanan pada ruang bakar akan memaksa sejumlah gas untuk masuk ke celah-celah kecil dalam ruang bakar. Gas-gas ini akan keluar pada langkah ekspansi dan langkah buang merupakan salah satu sumber hidrokarbon pada gas buang kendaraan. Sumber lainnya adalah lapisan oli pelumas yang menempel pada dinding piston atau silinder head. Lapisan oli ini bisa menyerap dan melepaskan kembali komponen hidrokarbon dalam campuran (sebelum dan sesudah pembakaran) sehingga memungkinkan sejumlah bahan bakar lolos ketika terjadinya pembakaran. Dari gambar 5 dapat diketahui bahwa penggunaan logam tembaga sebagai pereduksi konsentrasi polutan HC dapat menurunkan kadar konsentrasi polutan hidrokarbon yang signifikan. Penurunan konsentrasi polutan HC terdapat pada semua putaran, dan penurunan terbaik terdapat pada penambahan berat tembaga 200 gr. Jika dibandingkan dengan standar (kontrol 3) terdapat penurunan rata-rata sebesar 33,35 %. KESIMPULAN Dari hasil analisis penelitian dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : Penambahan catalytic converter tembaga dapat meningkatkan unjuk kerja bagi motor bensin 4 tak bersilinder tunggal. Hal ini dapat dilihat dengan bertambahnya daya, torsi, Bmep, dan efisiensi termis, serta menurunkan konsumsi bahan bakar spesifik. Unjuk kerja motor bensin empat langkah honda karisma akan optimum jika didalam saluran gas buangnya dibuat dengan pipa tembaga straigh through yang diisikan serabut tembaga sebagai katalis seberat maksimal 200 gram. Konsentrasi polutan gas karbon monoksida dan HC terbaik dicapai juga dengan penambahan berat katalis 200 gram. Konsentrasi polutan karbon monoksida turun 47,53%, jika dibandingkan dengan kelompok kontrol (kontrol 3), sedangkan konsentrasi polutan HC turun 33,53 %. DAFTAR PUSTAKA Annisa, F.P. 2001, Uji Kemampuan Catalytic Converter Tembaga- Nickel (Cu-Ni) Untuk Mereduksi Emisi Gas Buang Kendaraan Bermotor Berbahan Bakar Premium, Tugas Akhir S-1 Teknik Lingkungan FTSP-ITS, Surabaya. Aris, M., 2005, Pengaruh Penggunan Cu Murni Sebagai Katalis Pada Mesin 4 Langkah terhadap Emisi Gas Buang, Tugas Akhir S-1 Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya.
29
Hakam dan Djoko-Analisa Pengaruh Penggunaan Logam Tembaga sebagai Katalis pada Saluran Gas Buang Mesin Bensin
Astika, I.K., 2001, Studi Eksperimen Tentang Pengaruh Penggunaan Tembaga Sebagai Catalytic Mufler Terhadap Emisi CO, HC, dan NOx Dari Motor Bensin 4 Langkah, Tugas Akhir S-1 Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya. Bahl, B.S.; Tuli, G.D.; Bahl, Arun., 1997, Essentials of Physical Chemistry, S. Scand & Company LTD., New Delhi. Heywood, John B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals, International Edition, McGraw-Hill. Nomura at all., 1994, Three Way Catalyst Pt for Emission Vehicles. Jurnal Automotive Engineering, Vol 102. Javavonic et all., 1995, Ruthenium Catalysis For Lean NOx Automotive Emission Control. Jurnal Industrial & Engineering Chemistry Research.
30
Jingga, I.N. 2000, Studi Eksperimen Pengaruh Penggunaan Magnesium sebagai Pereduksi Polutan di Muffler Motor Bensin 4-Langkah, Tugas Akhir S-1 Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya. Martyn, V., 1996, Catalyst Handbook, Second Edition, Manshon Publising Ltd, London. Muhaji, 2001, Pengaruh Zeolit Alam dan Mn Sebagai Katalis Silencer Sepeda Motor 4 Langkah Terhadap Kadar Emisi Gas Buang, Unjuk Kerja dan Sound Pressure Level, Tesis S-2 Teknik Mesin FTI-ITS, Surabaya.
© Kimia ITS – HKI Jatim
