BAB VII PEMBENTUKAN CAMPURAN, PENYALAAN, DAN PEMBAKARAN PADA MOTOR BENSIN Bab ini membahas pembentukan campuran, penyalaan, dan pembakaran pada motor SI konvensional.
7.1. Pembentukan Campuran Rasio udara λ merupakan parameter penting yang mempengaruhi daya (IMEP) dan efisiensi (konsumsi bahan bakar spesifik), lihat Gambar 7.1. Campuran hanya menyala dalam suatu batas-batas penyalaan. Dari titik keluaran daya optimum, campuran yang sedikit kaya dengan nilai kalor maksimum sangat diinginkan. Untuk meminimalkan konsumsi bahan bakar, campuran yang sedikit miskin adalah yang terbaik.
Gambar 7. 1. Pengaruh dari Rasio Udara
Penyiapan campuran pada motor bensin konvensional harus memenuhi kriteriakriteria berikut: -
Rasio udara harus berada di dalam batas-batas penyalaan untuk semua kondisi operasi dan semua silinder. Selama penyalaan dingin(cold start) dan putaran stasioner, kondensasi bahan bakar harus dapat ditentukan.
1
-
Pada beban rendah, konsumsi bahan bakar minimum dan karenanya campuran miskin harus disediakan.
-
Pada beban tinggi, daya maksimum membutuhkan campuran kaya.
Kebutuhan-kebutuhan ini dipenuhi oleh karburator atau sistem injeksi bahan bakar yang menginjeksikan bahan bakar ke dalam saluran masuk pada manifold. Setelah menggunakan konverter-konverter katalis untuk penanganan gas buang, rasio udara harus sama dengan satu pada semua kondisi operasi, yang hanya dapat dicapai oleh sistem-sistem injeksi bahan bakar.
Karburator Prinsip kerja karburator diperlihatkan pada Gambar 7.2. Udara masuk ke dalam bagian hisap karburator dan mengalir ke dalam venturi (6) karburator, sebuah konvergen dan divergen nosel, dimana kecepatan meningkat dan tekanan menurun. Perbedaan tekanan bergantung pada aliran massa. Hal ini menyebabkan bahan bakar cair mengalir ke ruang bakar (3), dimana level bahan bakar dijaga konstan, melalui main jet (4), calibrated orifice, ke dalam tabung saluran discharge bahan bakar. Di sini penguapan bahan bakar dimulai dan berlanjut di dalam manifold. Aliran tersebut kemudian melalui katup gas (5) dan memasuki saluran masuk pada manifold. Rasio udara diatur oleh permukaan menyilang dari main jet(4). Kuantitas campuran ditentukan oleh posisi katup gas(throttle).
Gambar 7. 2. Skema Karburator
2
Untuk menghitung rasio udara, aliran massa udara dan bahan bakar harus ditentukan menggunakan persamaan-persamaan untuk aliran cairan melalui suatu orifice dengan koefisien aliran α:
m& A = AA .α A 2 ρ A .Δp A m& F = AF .α F 2 ρ F .ΔpF
λ= λ=
mA Lst .mF AA .α A ρ A .Δp A Lst . AF .α F ρ F .ΔpF
Seperti halnya perbedaan-perbedaan tekanan untuk udara dan bahan bakar yang hampir sama dan semua parameter lain yang hampir konstan, demikian pula rasio udara tetap konstan dan tidak bergantung pada laju aliran massa.
Gambar 7. 3. Skema Karburator
Untuk merealisasikan kebutuhan-kebutuhan karburator, fitur-fitur tambahan dimasukkan, lihat Gambar 7.3: -
Beban sedang (posisi katup gas(throttle) 6b): main jet didukung oleh jet (7) yang menambah udara melalui bukaan (9) untuk menjaga rasio udara miskin.
3
-
Beban penuh (posisi katup gas 6c): sistem memperkaya campuran (10), (11) dengan menambah bahan bakar.
-
Operasi stasioner tanpa beban (posisi katup gas 6a): sistem terpisah (13), (14), (15) menyediakan bahan bakar.
-
Akselerasi: untuk mengurangi efek inersia dan kondensasi, ditambahkan sebuah pompa untuk akselerasi.
-
Penyalaan dingin: sebuah choke (17) ditambahkan untuk memperkaya campuran dengan meningkatkan perbedaan tekanan.
Sistem Injeksi Bahan Bakar
Pada motor SI modern, bahan bakar diinjeksikan ke dalam sistem hisap. Jumlah bahan bakar yang tepat dihitung untuk setiap titik operasi secara elektronik. Sistem injeksi menjadi pengendali dengan adanya konverter katalis yang harus dioperasikan pada rasio udara tepat satu pada semua kondisi. Sejumlah sistem digunakan , seringkali dikombinasikan dengan sistem penyalaan dan deteksi detonasi. Sebagai contoh, Gambar 7.4 memperlihatkan skema KEJetronik. Unit pemroses pusat (17) menerima sejumlah sinyal dan mengendalikan aktuator tekanan (16) mendistribusikan bahan bakar ke injektor (6).
Gambar 7. 4. Skema KE-Jetsonic Buatan Bosch.
4
7.2. Penyalaan Busi Pada motor dengan penyalaan busi, lompatan bunga api listrik yang diproduksi di antara elektrode-elektrode busi memulai proses pembakaran. Voltase tinggi yang cukup (15kV-40kV) harus disediakan dan didistribusikan ke silinder-silinder oleh sistem penyalaan. Tersedia sejumlah sistem, seperti sistem penyalaan magnetis sederhana, sistem penyalaan baterai dengan penyalaan coil dengan atau tanpa transistor, atau sistem kapasitor, lihat Gambar 7.5
Gambar 7. 5. Sistem Penyalaan
Gambar 7. 6. Pemetaan Sudut Penyalaan
Tugas penting suatu sistem penyalaan adalah penentuan waktu
penyalaan
berdasarkan kondisi-kondisi operasi motor. Pada motor dengan kecepatan tinggi, penyalaan harus dipercepat, yang dapat diperoleh dengan mekanisme sentrifugal. 5
Pada beban rendah, kecepatan propagasi nyala api dikurangi sehingga penyalaan harus diperlambat. Hal ini dapat dilakukan dengan mekanisme vakum pada intake manifold. Pada motor modern, pewaktuan penyalaan dikendalikan secara elektronik, yang memungkinkan pewaktuan penyalaan optimal pada seluruh kondisi operasi. Selain beban dan kecepatan motor, seringkali temperatur, akselerasi, atau pengurangan emisi buang juga dimasukkan ke dalam perhitungan. Pemetaan sudut penyalaan untuk sistem-sistem mekanik konvensional dan sistem-sistem elektronik diperlihatkan pada Gambar 7.6.
7.3. Pembakaran Plasma kerne dengan temperatur yang tinggi dihasilkan oleh penyalaan yang berlanjut pada self sustaining and perambatan nyala awal. Ini adalah lapisan tipis tempat reaksi kimia pembakaran berlangsung. Karakteristik nyala awal ini (kecepatan propagasi,bentuk) berpengaruh langsung pada operasi motor. Pada pembakaran normal, Nyala api awal harus menyebar melalui ruang bakar secepat mungkin dan se-uniform mungkin sebelum dipadamkan pada dinding-dinding, lihat Gambar 7.7a. Pembakaran tidak normal disebabkan oleh detonasi atau penyalaan awal.
Gambar 7. 7. Laju Perambatan.
6
Detonasi merupakan penyalaan spontan sebagian campuran didepan awal
penyalaan yang disebabkan oleh tekanan dan temperatur tinggi, lihat Gambar 7.7b. Pelepasan energi kimia yang cepat menyebabkan gelombang-gelombang tekanan lokal yang sangat tinggi yang mengakibatkan suara detonasi, lihat Gambar 7.8. Beban mekanik dan termal yang tinggi pada pembakaran detonasi dapat merusak komponen-komponen motor.
Gambar 7. 8. Pembakaran abnormal
Gambar 7. 9. Laju rata-rata perambatan api
Penyalaan Permukaan disebabkan oleh titik-titik panas pada dinding ruang
bakar (busi, katup buang) yang menyebabkan pra- atau paska- penyalaan, lihat Gambar 7.7c. Untuk pembakaran normal dengan efisiensi yang baik, turbulensi yang tinggi yang menyebabkan kecepatan perambatan nyala yang tinggi seperti diinginkan. Kecepatan nyala rata-rata meningkat seiring dengan kecepatan piston rata-rata. Kecepatan penyalaan juga bergantung pada rasio udara, lihat Gambar 7.9. Sejalan dengan turunnya kecepatan penyalaan pada sebagian beban, jeda penyalaan meningkat dan pewaktuan penyalaan harus diperlambat. Jeda penyalaan atau pembakaran adalah waktu (atau sudut engkol) di antara awal penyalaan dan awal pembakaran, ditandai oleh kenaikan tekanan di dalam silinder atau kenaikan laju panas yang dilepaskan, lihat Gambar 7.10. Bagian terendah Gambar 7.10 menunjukkan laju pelepasan panas.
7
x = panas yang dilepaskan / panas keseluruhan atau x = massa bahan bakar yang terbakar / massa bahan bakar
Gambar 7. 10. Penyalaan dan Pembakaran.
Menimbang tingginya turbulensi pada ruang bakar, variasi-variasi siklus cukup beragam pada motor bensin, lihat Gambar 7.11.
8
Gambar 7. 11. Variasi Siklus pada Motor Bensin
Pembakaran juga dipengaruhi oleh rancangan motor. Rancangan yang diinginkan adalah yang memiliki ruang bakar dengan bentuk yang kompak dan yang posisi businya di tengah-tengah. Beberapa variasi rancangan diperlihatkan pada Gambar 7.12.
Gambar 7. 12
Untuk meningkatkan kecepatan penyalaan dan mengurangi detonasi, akhir-akhir ini banyak digunakan inlet manifold dengan bentuk khusus yang menyebabkan efek putaran fluida(swirl) yang dapat meningkatkan turbulensi, lihat Gambar 7.13. Penginduksian
gerakan
campuran
menggunakan
sejumlah
energi
dan
menyebabkan transfer panas yang lebih tinggi.
Gambar 7. 13 Pergerakan Campuran yang diakibatkan Intake Manifold.
9
BAB VIII PEMBENTUKAN CAMPURAN DAN PEMBAKARAN CAMPURAN PADA MOTOR DIESEL Bab ini berhubungan dengan pembentukan campuran dan pembakaran campuran pada motor diesel konvensional. Prosesnya sangat kompleks dan membutuhkan teknik-teknik pengukuran yang canggih (misalnya metode optik) dan simulasisimulasi matematis (CFD 3D) untuk pendeskripsiannya.
8.1. Pembentukan Campuran Pada motor diesel, bahan bakar diinjeksikan ke dalam udara terkompresi di dekat TMA. Pembakaran diawali oleh penyalaan sendiri (penyalaan kompresi), pada saat bahan bakar menguap dan bercampur dengan udara silinder yang bertekanan dan bertemperatur tinggi. Injeksi bahan bakar harus disertai dengan tekanan tinggi dan pewaktuan tertentu. Tujuan utamanya adalah untuk memperoleh pencampuran bahan bakar – udara yang cukup cepat di dalam ruang bakar. Beberapa karakteristik yang penting adalah: -
Campuran tidak homogen. Karena rasio udara lokal dapat berada di dalam batas-batas penyalaan, walaupun rasio udara rata-ratanya tidak, beban parsial dan kecepatan dapat dikontrol oleh kuantitas bahan bakar yang diinjeksikan. Oleh karena itu, motor diesel dioperasikan pada rasio udara miskin yang rentangnya lebar, lihat Gambar 8.1.
-
Pada rasio udara yang tinggi, konsumsi bahan bakarnya minimum. Oleh karena itu, konsumsi bahan bakar motor diesel relatif lebih kecil daripada motor SI, khususnya pada beban parsial yang diaktuasi tanpa kerugian katup gas. Selain itu, campuran miskin mempunyai koefisien isentropik yang lebih kecil sehingga efisiensinya lebih tinggi.
-
Rasio udara minimum yang berkisar 1,2-2 memungkinkan IMEP maksimum yang lebih rendah relatif terhadap motor SI. Jelaga terbentuk karena kurangnya udara sehingga bahan bakar tidak dapat terbakar sempurna sebelum
10
proses buang. Akibatnya, jelaga atau asap hitam pada gas buang tersebut membatasi daya keluarannya. -
Tidak ada batas detonasi sehingga rasio kompresi yang lebih tinggi dapat digunakan untuk memperbaiki efisiensi relatif terhadap motor SI.
Gambar 8. 1
Beberapa karakteristik pembentukan dan pembakaran campuran dapat dijelaskan dari Gambar 8.2. Laju injeksi bahan bakar pada nosel berbeda dari laju injeksi di dalam pompa karena adanya efek dinamika fluida (elastisitas dan inersia bahan bakar). Pembakaran memiliki fasa-fasa berikut: -
Waktu Tunda, bergantung pada temperatur sehingga menurunkan partikel-
partikel bahan bakar yang diinjeksikan selanjutnya (b). Jeda injeksi menurun kira-kira linear dengan peningkatan beban, dimana temperatur gas dan dinding yang lebih tinggi menyebabkan temperatur campuran yang lebih tinggi. -
Pada fasa pembakaran cepat, bahan bakar yang telah dicampur dengan udara di dalam batas-batas kemampuan terbakar, selama jeda penyalaan terbakar dengan cepat. Ketika pembakaran ini diinginkan dengan memperhatikan efisiensi, hal ini menyebabkan temperatur tinggi, tekanan tinggi, emisi NOx
11
tinggi, dan kebisingan yang tinggi pula. Untuk menghindari pembakaran cepat: •
Jeda pembakaran harus dijaga tetap singkat dengan menggunakan bahan bakar dengan bilangan setan tinggi dan tekanan injeksi yang tinggi, serta turbulensi yang tinggi di dalam ruang bakar.
•
Injeksi awal sejumlah kecil bahan bakar.
•
Sistem pembakaran melepaskan bahan bakar perlahan-lahan ke pembakaran utama (ruang bakar awal).
-
Pembakaran terkendali membakar sebagian besar bahan bakar. Laju
pelepasan panas atau laju pembakaran dikontrol oleh laju ketersediaan campuran untuk pembakaran dari proses pencampuran udara – uap. -
Pembakaran lanjutan terhadap bahan bakar yang tidak tercampur sempurna
mengakibatkan termperatur tinggi pada gas buang, emisi CH yang tinggi, dan efisiensi yang buruk. Hal ini harus dihindari dengan cara: •
Pencampuran yang baik (distribusi mikro)
•
Distribusi yang baik (distribusi makro)
•
Rancangan ruang bakar yang sesuai
•
Turbulensi yang tinggi
Gambar 8. 2. Karakteristik Injeksi dan Pelepasan Panas.
12
8.2. Injeksi Bahan bakar harus diinjeksikan ke dalam silinder umumnya pada tekanan silinder 50-100 bar. Semprotan bahan bakar cair yang diinjeksikan diusahakan memasuki silinder pada kecepatan tinggi agar: -
mengatomisasi bahan bakar menjadi partikel-partikel berukuran kecil untuk memungkinkan penguapan dan pencampuran dengan udara yang cepat.
-
Menyiapkan ruang bakar dalam waktu singkat sehingga mampu memproses campuran udara.
Gambar 8. 3. Waktu Sesudah Injeksi Dimulai
Pada sistem injeksi, bahan bakar diambil dari tangki oleh sebuah pompa suplai, melalui sebuah saringan, dan dikompresi pada pompa injeksi. Pipa-pipa nosel membawa bahan bakar bertekanan tinggi ke nosel injektor. Motor-motor kecil menggunakan menggunakan pompa-pompa injeksi bahan bakar distributor, motor-motor yang lebih besar menggunakan pompa-pompa segaris dengan sebuah plunyer untuk setiap silinder yang dikendalikan oleh sebuah cam. Jumlah bahan bakar yang dikirim diubah-ubah dengan memvariasi langkah plunyer, lihat Gambar 8.4. Sebuah governor digunakan untuk mengendalikan kecepatan motor idle dan maksimum, sebuah alat yang mengatur laju injeksi bahan bakar sesuai
dengan putaran mesin.
13
Gambar 8. 4 Sistem Injeksi Motor Diesel
Gambar 8. 5. Injektor Elektronik
Untuk menghindari efek-efek dinamika fluida pada nosel, unit pompa-pompa injektor bahan bakar telah dikembangkan. Dengan kendali elektronik terhadap unit-unit ini, peningkatan fleksibilitas pada laju aliran dan pewaktuan bahan bakar dapat dicapai, lihat Gambar 8.5. Pengembangan yang terbaru adalah sistem common rail dengan reservoir bertekanan tinggi dan nosel yang dikontrol secara elektronik memungkinkan pengesetan yang tepat terhadap kuantitas dan pewaktuan injeksi.
Gambar 8. 6. Nosel Multi Lubang dan Nosel tipe Pintle
Nosel injeksi sangat mempengaruhi pembentukan campuran sehingga juga mempengaruhi efisiensi dan emisi. Injeksi harus dimulai dan diakhiri pada waktu yang ditentukan tanpa pengurangan. Parameter-parameter rancangan untuk nosel
14
meliputi jumlah, situasi, dan diameter-diameter lubang-lubang disesuaikan dengan kebutuhan. Pada kebanyakan kasus digunakan nosel bertipe multi-lubang, lihat Gambar 8.6, pada ruang-ruang pra- dan efek pusaran(swirl) digunakan pintle nozzle. Nosel tersebut hanya menginjeksikan bahan bakar dalam jumlah kecil pada
awalnya sehingga bising dang emisi buang yang dihasilkan rendah.
8.3. Pembakaran Pada semprotan bahan bakar, perbedaan rasio udara lokal selalu menghasilkan area di dalam batas-batas kemampuan untuk tidak menyala, lihat Gambar 8.7 (pencampuran makro). Selain itu, di dalam penyemprotan tunggal bahan bakar, rasio udara bervariasi dari bahan bakar murni sampai udara murni, lihat Gambar 8.8 (pencampuran mikro). Pembakaran yang dimulai pada campuran kaya (λ=0,6) menyebabkan pembentukan jelaga. Pembakaran pada motor diesel lebih stabil daripada motor-motor bensin, variasi siklik lebih kecil.
Gambar 8. 7. Rasio Udara di sekitar Semprotan
Gambar 8. 8. Rasio Udara di sekitar titik jatuh bahan bakar
Pergerakan gas di dalam silinder merupakan salah satu faktor utama dalam mengendalikan pencampuran bahan bakar – udara dan proses pembakaran. Pola awal aliran dalam silinder diset oleh proses hisap (katup-katup dan port-port) dan diubah oleh gerakan piston (swirl, squish). Gerakan campuran juga mempengaruhi perpindahan panas, emisi, dan efisiensi. Berbagai sistem pembakaran telah dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan motor-motor penyalaan kompresi.
15
Injeksi Tidak Langsung (IDI = Indirect Injection)
Bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar awal(pre-chamber) atau ruang bakar dengan efek swirl(swirl-chamber) dimana pembakaran dimulai yang kemudian diteruskan ke dalam ruang bakar utama, lihat Gambar 8.9. Motor-motor IDI menghasilkan kebisingan dan emisi buang yang rendah karena fase pembakarannya yang cepat dan lemah. Kerugiannya adalah efisiensi yang rendah, beban termal pada ruang yang tinggi, dan rancangan yang lebih rumit. IDI digunakan pada motor-motor mobil penumpang berkecepatan tinggi.
Gambar 8. 9. Pembakaran pada Sistem Injeksi Tidak Langsung(IDI)
Injeksi Langsung (DI = Direct Injection)
Bahan bakar diinjeksi secara langsung ke dalam ruang bakar. Bahan bakar (bilangan setana tinggi) dan sistem injeksi (nosel dengan multi saluran, tekanan tinggi) harus memenuhi tuntutan-tuntutan yang tinggi. Untuk membatasi pembakaran cepat pada awal, efek swirl dapat dilakukan selama bahan bakar dalam intake, dimana sebagian kecil bahan bakar disemprotkan ke dinding pada fase awal pembakaran, lihat Gambar 8.10. Motor-motor DI memiliki efisiensi terbaik dan digunakan pada motor-motor truk, akhir-akhir ini juga mobil-mobil penumpang.
16
Gambar 8. 10. Pembakaran pada Sistem Injeksi Langsung.
Kini, sistem-sistem pembakaran baru sedang diperkenalkan, seperti pembakaran diesel homogen.
8.4. Perbandingan Sistem Pembakaran pada Motor Diesel dan Bensin Motor diesel dapat beroperasi pada rasio kompresi tinggi sehingga menghasilkan tekanan puncak yang tinggi dan kenaikan tekanan yang tinggi pula. Hal ini menyebabkan emisi bising dan NOx. Mengingat batas jelaga, motor diesel selalu beroperasi dengan rasio udara miskin (λ=1,2). Oleh karena itu, motor bensin (λ=1) dapat membakar lebih banyak bahan bakar pada volume yang sama dan melepaskan lebih banyak panas yang memberikan daya spesifik yang lebih tinggi (temperatur gas juga lebih tinggi). Tatapi, motor bensin memiliki tingkat konsumsi bahan bakar yang lebih tinggi (khususnya pada beban yang diakibatkan oleh kerugian katup gas(throttle)), emisi buang yang lebih jelek, dan tidak terlalu sesuai untuk sistem supercarjer. Perbandingan siklus ideal dan real untuk motor bensin (pembakaran volume konstan) dan motor diesel (pembakaran tekanan terbatas) diperlihatkan pada
17
Gambar 8. 11. Laju Pelepasan Panas Untuk Motor Bensin dan Diesel
Gambar 8. 12. Perbandingan Berbagai Macam Tipe Motor
Gambar 8.11. Gambar 8.12 memberikan beberapa rincian tekanan silinder p, temperatur silinder T, dan laju pelepasan panas untuk motor bensin (OM), motor diesel dengan swirl-chamber (WK), motor diesel DI dengan pertukaran gas secara
18
alami (DE-S), dan motor diesel DI dengan turbocarjer pada kondisi beban penuh, mengilustrasikan karakteristik-karakteristik tersebut. Pengembangan terkini memperlihatkan peningkatan derajat kombinasi fitur-fitur yang dulunya dimiliki oleh konsep-konsep motor yang berlainan satu dengan lainnya.
19
BAB IX EMISI
9.1. Pertimbangan Umum Penggunaan motor diesel untuk transportasi telah mengubah kehidupan manusia lebih banyak dibandingkan dengan penemuan lainnya. Sayangnya, kerugiankerugian yang diakibatkan pembakaran bahan bakar fosil semakin nyata. Pemakaian motor diesel, selain terus mengurangi sumber daya alam, juga menjadi sumber utama emisi kebisingan dan gas-gas buang. Suara adalah fluktuasi yang sangat kecil dalam tekanan udara yang dapat diterima oleh telinga manusia. Suara yang tidak diinginkan disebut kebisingan. Motor diesel dan sistem pembuangannya merupakan sumber kebisingan. Kebisingan dihasilkan secara langsung oleh aliran gas (pipa pembuangan, kipas) atau secara tidak langsung oleh getaran permukaan (kebisingan motor, kebisingan pembakaran). Rendahnya frekuensi kebisingan pembakaran bergantung pada tekanan silinder, kenaikan tekanan menyebabkan frekuensi kebisingan meningkat. Untuk mengurangi kebisingan, produksi kebisingan dikurangi (kurva tekanan yang lebih halus) dan kecepatan propagasi atau emisi dikurangi (covers, damping).
Emisi gas-gas buang merupakan masalah kedua dari motor diesel. Hal ini disadari pertama kali di California pada tahun 1940-an ketika ditemukan bahwa masalah smog dihasilkan dari reaksi antara oksida nitrogen dengan senyawa-senyawa
hidrokarbon dengan bantuan sinar matahari. Sejak itu, peraturan-peraturan gas buang diperketat dan emisi motor diesel diturunkan secara drastis dengan munculnya katalitik konverter. Namun, masalah tersebut tetap belum terpecahkan seiring dengan meningkatnya jumlah kendaraan bermotor secara pesat, lihat Gambar 9.1. Selain itu, pembakaran bahan bakar HC selalu menghasilkan CO2 hingga 20%, yang meskipun bukan merupakan gas
20
berbahaya namun mengakibatkan efek rumah kaca yang meningkatkan temperatur global, lihat Gambar 9.2.
Gambar 9. 1. Jumlah Kendaraan
Gambar 9. 2.Temperatur Global RataRata dan Konsentrasi CO2
9.2. Pembentukan Polutan Bahaya suatu polutan bergantung pada jumlah yang diserap, periode waktu, dan jenis polutan tersebut. Jenis-jenis polutan gas buang utama, asal, dan sifatnya:
Karbon Monoksida CO
Di negara-negara industri, 2/3 emisi CO disebabkan oleh kendaraan bermotor (1/3 disebabkan pembakaran bahan bakar pada rumah tangga). Karena jumlahnya yang besar, mobil penumpang menyumbang emisi CO paling banyak, baik motor bensin yang memenuhi aturan katalitik maupun motor diesel menyumbang jumlah yang relatif sama. CO merupakan gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa, namun sangat beracun (menghirup 0,3% volume dapat menyebabkan kematian dalam setengah jam). Dengan bantuan oksigen, CO dapat diubah menjadi CO2. Partikulat
Hampir 1/3 emisi partikulat disebabkan oleh kendaraan bermotor (1/3 oleh rumah tangga dan proses pemanasan di dalamnya). Emsisi partikulat, bersama-sama 21
dengan emisi NOx, merupakan masalah utama motor diesel. Partikulat meliputi semua bahan cair maupun padat (abu, karbon, debu, jelaga). Partikel-partikel tersebut menyebabkan iritasi pada sistem pernafasan. Hidrokarbon dapat diserap pada permukaan partikel sehingga menjadi zat karsinogenik.
Oksida Nitrogen NOx
Kendaraan bermotor menyumbang 2/3 emisi NOx, diikuti oleh industri. NOx umumnya diproduksi pada motor diesel. Nitrogen monoksida NO merupakan gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa yang dengan bantuan oksigen dapat berubah menjadi nitrogen dioksida NO2 yang merupakan gas beracun berwarna coklat kemerah-merahan dan berbau menyengat yang merusak paruparu.
Hidrokarbon HC
Kendaraan bermotor lagi-lagi menjadi sumber utama emisi HC(1/3). Motor bensin memproduksi HC lebih banyak dibandingkan dengan motor diesel, terutama motor dua langkah yang kecil. Hidrokarbon sangat reaktif. Dengan bantuan sinar matahari, oksida nitrogen bereaksi dengan HC menghasilkan oksidan yang menyebabkan iritasi membran mukosa pada tenggorokan, hidung, dan telinga. Beberapa jenis HC juga merupakan zat karsinogen.
Ozon O3
Ozon merupakan oksida yang berasal dari unsur-unsur gas buang (HC dan NOx) di bawah pengaruh radiasi ultraviolet. Ozon merupakan gas yang sangat beracun dengan bau yang merusak paru-paru.
Oksida Sulfur
Sulfur dioksida SO2 dihasilkan dari sulfur yang terdapat di dalam bahan bakar sebagai pengotor. Ini merupakan gas beracun tak berwarna yang merusak paruparu. Senyawa ini dapat bereaksi membentuk asam sulfur.
Senyawa Timbal
22
Senyawa-senyawa timbal dahulu digunakan sebagai bahan tambahan untuk bensin yang meningkatkan tahanan detonasi. Timbal merupakan logam berat beracun yang dapat tertimbun di dalam tubuh, khususnya hati.
Pembakaran Sempurna
Dengan rasio udara λ=1 dan waktu reaksi yang cukup, pembakaran sempurna menghasilkan karbon dioksida dan air. Nitrogen tetap tak berubah. y z⎞ y y z⎞ ⎛ ⎛ C x H y O z + ⎜ x + − ⎟(O2 + 3.76 N 2 ) → xCO2 + H 2 O + 3.773⎜ x + − ⎟ N 2 4 2⎠ 2 4 2⎠ ⎝ ⎝
Pembakaran Tak Sempurna Dengan kurangnya oksigen, pembakaran tak sempurna menghasilkan: -
Hidrokarbon yang tidak terbakar (HC,CxHy): Unsur-unsur pembangun bahan bakar.
-
Hidrokarbon yang terbakar sebagian (CO): Sebagian unsur terbakar, sementara sisanya, khususnya CO, tertinggal sebagai gas buang.
-
Jelaga(soot).
Pembakaran Berlebih Dengan kelebihan oksigen pada temperatur yang sangat tinggi, pembakaran berlebih mengubah nitrogen di atmosfer N2 menjadi oksida nitrogen (NO,NO2).
9.2.1. Emisi Motor SI Emisi motor SI dari suatu tes di Eropa diperlihatkan pada Gambar 9.3. Emisi polutan bergantung terutama pada rasio udara, lihat Gambar 9.4.
Emisi CO Emisi CO rendah pada campuran miskin dan meningkat tajam pada λ=1 dengan kondisi kurang udara (campuran gemuk). Konsentrasi CO tertinggi terjadi selama pembakaran. Selama ekspansi, CO + air akan menghasilkan CO2 + hidrogen (reaksi air - gas). Oksidasi menurun dengan menurunnya temperatur.
23
Gambar 9. 3. Emisi dari Motor Bensin
Gambar 9. 4. Emisi dari Motor Bensin Terhadap Rasio Udara
Emisi HC Emisi HC mencapai minimum di sekitar λ=1,1 dan meningkat mendekati batas penyalaan. Sebagian HC dioksidasi pada saat proses ekspansi dan proses buang. Tiga mekanisme yang diyakini menyebabkan pembentukan HC: -
misfire: kurangnya pembakaran merupakan masalah pada motor bensin di sekitar batas inflammability, khususnya ketika beroperasi pada campuran miskin atu EGR.
24
-
Penyimpanan dan pelepasan bahan bakar atau oli: lapisan-lapisan oli di dalam motor dapat menjebak sebagian bahan bakar dan melepaskannya pada saat ekspansi.
-
Flame-quenching dalam celah: di dalam celah di antara cincin piston atas, piston, dan dinding silinder, celah lebih kecil daripada jarak quenching. Akibatnya, api tidak dapat menyebar ke campuran bahan bakar – udara yang terkompresi ke dalam celah. Bahan bakar yang tidak bereaksi tersebut tertinggal di dekat dinding tetapi sebagian keluar pada proses ekspansi, lihat Gambar 9.5.
Gambar 9. 5. Formasi HC pada Ruang Bakar
Emisi NOx Emisi NOx mencapai maksimum dengan puncak yang tajam pada λ=1,1 yang disebabkan oleh tingginya temperatur dan cukupnya oksigen pada titik operasi ini. Karena emisi NOx maksimum bersamaan dengan emisi HC minimum, pengurangan pembentukan polutan pada motor bensin menjadi sulit.
9.2.2. Emisi Motor Diesel Secara umum karakteristik emisi bergantung pada rasio udara, lihat Gambar 9.6.
Emisi CO Emisi CO rendah karena operasi miskin. 25
Emisi HC Emisi HC dihasilkan karena: -
campuran lokal tidak berada di dalam batas inflammability (terlalu miskin)
-
dripping atau penguapan bahan bakar dari injektor nosel
-
flame quenching di dekat dinding atau di dalam celah
Emisi NOx Emisi NOx meningkat dengan meningkatnya temperatur dan beban. Sistem DI menghasilkan emisi NOx lebih banyak. Emisi ini dapat dikurangi dengan injeksi terlambat dan re-sirkulasi gas buang.
Emisi Jelaga Emisi jelaga merupakan bagian utama asal diesel dan sekaligus merupakan masalah utama motor diesel. Jelaga terbentuk pada temperatur tinggi lebih dari 1500 K dengan kondisi kekurangan oksigen. Partikel-partikel jelaga mengental dan menyerap senyawa-senyawa lain. Pembentukan jelaga juga bergantung pada sistem pembakaran. Pada motor diesel, campuran tidak seragam sehingga pembentukan polutan juga bergantung pada distribusi bahan bakar dan proses pembakaran. Gambar 9.7 menunjukkan mekanisme pembentukan polutan pada motor diesel DI.
Gambar 9. 6. Emisi Motor Diesel
Gambar 9. 7. Formasi dari Polutan
Terhadap Rasio Udara
26
9.2.3. Perbandingan Motor Bensin dan Diesel serta Pengaruh Kondisi Operasi Motor bensin menghasilkan emisi buang CO, HC, dan NOx dalam jumlah besar. Dengan menggunakan katalitik konverter, emisi tersebut dapat dikurangi hingga 90%, namun tetap lebih tinggi dibandingkan dengan motor diesel, lihat Gambar 9.8. Konsumsi bahan bakar (yang juga berdampak pada emisi CO2) juga lebih tinggi. Namun, emisi NOx dan jelaga lebih banyak dihasilkan oleh motor diesel.
Gambar 9. 8. Emisi Motor Bensin dengan Katalis 3 jalur dan Motor Diesel
Operasi juga sangat berpengaruh terhadap emisi: -
Penyalaan Dingin: Pada motor SI, campuran kaya menyebabkan emisi HC yang banyak. Bahan bakar membentuk lapiasan film cair pada dinding dingin yang sebagian menguap menyebabkan tingginya emisi HC. Emisi NOx rendah. Jika pada motor diesel bahan bakar tidak menguap dan tercampur dengan baik, batas penyalaan tidak akan tercapai sehingga bahan bakar meninggalkan silinder dalam bentuk emisi HC (asap putih).
-
Akselerasi: 27
Pada motor SI dengan karburator, campuran bahan bakar - udara yang lebih kaya akan menghasilkan emisi CO yang lebih tinggi. Hal ini tidak terjadi pada sistem injeksi bahan bakar. Pada motor diesel turbocarjer, pembentukan jelaga dimungkinkan
(asap
hitam)
jika
turbo
membutuhkan
waktu
untuk
menghasilkan tekanan yang dibutuhkan untuk beban yang lebih tinggi. -
Perlambatan: Lapisan film terkondensasi pada sistem hisap menguap dan memperkaya campuran sehingga menyebabkan terjadinya misfire dan mempertinggi emisi CO dan HC. Pada motor SI modern, seperti juga pada motor diesel, suplai bahan bakar dikurangi dan tidak ada emisi yang signifikan.
9.3. Pengurangan Polutan Emisi polutan dapat dikurangi dengan beberapa cara: -
Operasi: Efisiensi motor mobil penumpang di kota hanya sekitar 10%. Polutan dapat dikurangi dengan mengurangi lalu lintas individu di kota-kota. Emisi juga sangat tinggi pada saat pemanasan motor, ketika katalitik konverter belum aktif (80% emisi selama tes FTP driving dihasilkan pada 10% pertama waktu tes). Selain itu, penggunaan transmisi otomatis juga membantu.
-
Rancangan motor: Penurunan konsumsi bahan bakar merupakan tujuan utama penurunan CO2 dan emisi lainnya. Ini dapat dicapai dengan mengurangi kerugian mekanis dan termodinamik
(empat
katup,
katup
yang
dapat
diatur),
dengan
mengoptimalkan pembentukan dan pembakaran campuran (sistem injeksi, resirkulasi gas buang = Exhaust Gas Recirculation = EGR), dan dengan sistem supercarjer. Dengan ditemukannya manajemen motor elektronik, perbaikan operasi motor yang sangat signifikan dapat dicapai. Di tahun-tahun terakhir, konsep motor baru yang sedang dikembangkan menjanjikan pengurangan emisi, seperti konsep pembakaran miskin, motor campuran bertingkat, injeksi bensin langsung (GDI = Gasoline Direct Injection). -
Pengolahan sesudah proses pembakaran(after threatment): katalitik konverter 3 jalur untuk motor bensin telah mengurangi emisi secara dramatis (mencapai 90%). Konsep baru untuk konverter ini sedang 28
diperkenalkan (katalis oksidasi), seperti juga filter partikulat dan perangkap untuk emisi diesel.
9.3.1. Pengendalian Emisi Pada Motor SI Motor SI konvensional beroperasi pada rasio udara di antara 0,85 dan 1,15. Pada λ=1,1 konsumsi bahan bakar serta emisi CO dan HC minimal, sedangkan emisi NOx tinggi. Dengan operasi yang lebih miskin, batas penyalaan dicapai pada λ=1,2 (misfiring). Pembentukan campuran homogen dengan rasio udara tertentu yang konstan untuk semua silinder dikombinasikan dengan manajemen motor elektronik digunakan utnuk mengurangi emisi. EGR, pengurangan bahan bakar pada operasi idle, dan re-sirkulasi bahan bakar yang sudah menguap sangat umum digunakan.
Re-sirkulasi Gas Buang Re-sirkulasi gas buang internal (selama pertukaran gas dengan overlap katup panjang) atau eksternal (gas buang yang didinginkan melalui katup) mengurangi puncak temperature pembakaran dan emisi NOx, lihat Gambar 9.9. ERG tidak diinginkan pada beban penuh (mengurangi daya) dan idle (dapat menyebabkan misfire).
29
Gambar 9. 9. Reduksi Emisi NOX Pada Penggunaan EGR
Katalitik Konverter Katelitik konverter mempercepat reaksi kimia, umumnya pada temperatur tinggi.
Katalis Oksidasi Katalis oksidasi mengoksidasi CO dan HC menjadi CO2 dan air dengan bantuan oksigen pada 250°C.
Katalis Reduksi Katalis reduksi mengurangi NOx ke N2 pada rasio udara di bawah satu.
Katalis 3 jalur Katalis 3 jalur memungkinkan oksidasi CO dan HC sekaligus reduksi NOx dengan sebuah katalis. Efisiensi konversi bergantung pada rasio udara, lihat Gambar 9.10. Hanya di sekitar λ=1 semua polutan dapat diubah dengan tingkat 90%. Untuk mengoperasikan motor di semua kondisi pada rasio udara stokiometri, dibutuhkan kendali jerat tertutup yang canggih. Sebuah sensor oksigen (sensor lambda) pada sistem buang memberikan sinyal ke unit elektronik yang
30
mengendalikan sistem aliran bahan bakar. Platinum dan Rhodium digunakan sebagai katalis, umumnya diaplikasikan pada keramik khusus yang menyediakan permukaan luas untuk reaksi kimia. Katalis dihancurkan oleh timbal (bahan bakar tanpa timbal!) dan membutuhkan temperatur sekurang-kurangnya 300°C (pemanasan).
Gambar 9. 10. Laju Konversi pada Katalis 3 Jalur
9.3.2. Pengendalian Emisi Pada Motor Diesel Kuantitas bahan bakar yang diinjeksikan dibatasi karena adanya pembentukan jelaga dengan rasio udara 1,2 sampai 1,1. Selain itu, NOx bertambah. Injeksi lambat umum digunakan untuk mengurangi emisi NOx, yang juga mengurangi efisiensi. Pada beban rendah dan idle, pembentukan HC meningkat.
Re-sirkulasi Gas Buang Re-sirkulasi gas buang mengurangi konsentrasi oksigen dalam campuran dan meningkatkan panas spesifik. Kedua faktor ini mengurangi pembentukan NOx. Tingkat EGR yang tinggi menyebabkan emsisi jelaga, CO dan HC yang lebih tinggi.
31
Turbocarjer dengan Pendingin Antara Turbocarjer dengan pendingin antara di samping meningkatkan daya keluaran dan efisiensi, juga menurunkan pembentukan semua polutan.
Katalis Oksidasi Katalis oksidasi yang umum digunakan adalah katalis untuk oksidasi CO dan HC. Pengurangan HC juga sedikit mengurangi partikulat karena HC yang dapat menggumpal dengan partikel-partikel jelaga lebih sedikit.
Katalis Reduksi Katalis reduksi untuk mengubah NOx sedang dikembangkan.
Filter Filter, misalnya filter keramik, dipasang di sistem pembuangan untuk mengurangi emisi partikulat. Pada motor diesel, katalis 3 jalur tidak dapat digunakan karena tingginya rasio udara. Gambaran umum pengukuran penanganan gas buang dan keefektifannya diberikan pada Ganbar 9.11.
Gambar 9. 11. Pemrosesan Gas Buang Pada Motor Diesel
32
9.4. Uji Operasi Kendaraan(Driving Test) Saat ini semua negara industri secara legal telah mewajibkan Uji Operasi Kendaraan dan batas emisi. Kendaraan dipasangi dinamometer, lalu disimulasikan siklus operasi kendaraan, dan emisi buangnya diambil sebagai contoh (CVS = Constant Volume Sampling = Pengambilan Data pada Volume Konstan). Variasi siklus tes dilakukan untuk menyediakan
pilihan titik-titik beban motor dan
kecepatan operasi. Gambar 9.12 menggambarkan siklus operasi kendaraan untuk motor bensin yang diterapkan pada sebuah kota di USA. Tes ini mencakup rentang beban yang lebar seperti dapat dilihat dari titik-titik operasi terhadap peta performa pada Gambar 9.13. Penyalaan kendaraan dalam keadaan dingin seringkali merupakan bagian integral dari tes. Batas-batas emisi terus diturunkan dan pendekatan baru untuk mengurangi emisi akan terus dicari.
Gambar 9. 12. Pengujian Operasi Kendaraan di Amerika
33
Gambar 9. 13. Pengujian Operasi Kendaraan di Amerika dalam Peta Performansi
34
