21 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
Analisa Aliran Fluida Gas Bekas Dengan Catalytic
Converter Menggunakan Software Solidworks Flow
Simulation Pada Motor Bensin 4 Langkah 150 cc
Nana Supriyana1, Tarsono Dwi Susanto2, YB. Praharto3
1,2 Program Studi S1 Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo 3. Program Studi S1 Teknik Elektro Sekolah Tinggi Teknik Wiworotomo
Jln. Semingkir No. 1 Purwokerto 53132 Indonesia
email: [email protected]
Abstrak
Catalytic Converter ini adalah alat yang akan mereaksikan gas-gas buang yang berbahaya melalui reaksi kimia sehingga gas-gas tersebut akan berubah menjadi gas yang tidak berbahaya bagi lingkungan atau minimal menjadi gas yang tidak terlalu bahaya. peranti ini mampu mengubah zat- zat hasil pembakaran seperti, hidrokarbon (HC), karbon oksida (CO), dan NOx, menjadi zat yang lebih ramah lingkungan. Catalytic converter pada penelitian ini menggunkan bahan kuningan dan tembaga yang dipasang pada knalpot sepeda motor 4 langkah, 150 CC. Jenis penelitian yang digunakan adalah penelitian eksperimen. Instrumen penelitian yang menggunakan software solidworks flow simulation. Hasil penelitian
Catalytic Converter berbahan kuningan warna kuning terlihat muncul banyak
warna kuning sedangkan pada Catalytic Converter berbahan tembaga sedikit terlihat warna kuning, hal ini menggambarkan bahwa penggunaan bahan Catalytic
Converter juga berpengaruh terhadap laju aliran fluida gas bekas.
Kata kunci: Motor, Catalytic, Simulasi
Abstract
This catalytic converter is a tool that will react harmful exhaust gases through chemical reactions so that these gases will turn into gases that are not harmful to the environment or at least become gases that are not too dangerous. This device is capable of converting combustion products such as hydrocarbons (HC), carbon oxides (CO), and NOx, into substances that are more environmentally friendly. The catalytic converter in this study uses brass and copper materials that are installed on a 4 stroke motorcycle exhaust, 150 cc, another research instrument using solidworks flow simulation software. The results showed that the yellow color of the catalytic converter made of brass appears to be a lot of yellow, while the yellow color of the copper-based catalytic converter shows a slight yellow color, this illustrates that the use of the catalytic converter material also affects the flow rate of the used gas fluid.
Keywords: Motor, Catalytic, Simulation.
1. Pendahuluan
Perkembangan kendaran roda dua yang biasa disebut kendaraan bermotor di Indonesia yang sangat pesat telah memberikan dampak meningkatnya pencemaran udara yang signifikan dan telah menjadi masalah yang sangat serius untuk di carikan solusinya. Hal ini dapat kita lihat banyaknya produk-produk otomotif yang ada di pasaran salah satunya sepeda motor, merupakan kendaraan bermotor sebagai alat transportasi yang banyak digunakan, hampir setiap hari orang menggunakan kendaraan bermotor saat melakukan aktivitasnya.
Secara umum ada beberapa tuntutan teknologi kendaraan bermotor yang harus dipenuhi seperti harus menghasilkan suara dan getaran yang rendah, harus dapat menghasilkan performa
22 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
yang baik, harus dapat menghasilkan emisi gas buang yang rendah dan harus dapat menghemat pemakaian bahan bakar. Kendaraan dengan performa yang tinggi saat ini dituntut dengan kapasitas silinder/volume silinder yang lebih kecil dan perbandingan kompresi yang besar, sehingga tetap menghasilkan daya yang besar. Salah satu teknologi yang dapat digunakan untuk mereduksi emisi gas CO adalah dengan pemasangan Catalytic Converter pada sistem saluran pembuangan emisi gas. Catalytic Converter adalah alat yang digunakan sebagai kontrol emisi gas buang yang diletakkan setelah exhaust manifold pada sistem pembuangan gas kendaraan bermotor.
Alat ini merupakan pengubah yang menggunakan media yang bersifat katalis, dengan media tersebut diharapkan dapat membantu atau mempercepat terjadinya proses perubahan suatu zat (reaksi kimia) sehingga gas seperti CO dapat teroksidasi menjadi CO2.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui bahan dan dimensi yang baik untuk membuat catalytic converter, untuk mengetahui aliran di dalam knalpot menggunakan bantuan
software di komputer simulasi serta untuk mengetahui aliran fluida gas bekas pada saluran buang
motor bakar.
2. Kajian Pustaka
Penelitian tentang gas buang motor bakar diantaranya CFD Analysis Of The Effect Of The
Exhaust Manifold Design On The Close Coupled Catalytic Converter Performance. Computational Fluid Dynamics (CFD) telah menjadi alat yang sangat berguna dan banyak digunakan untuk
menganalisis dan mengoptimalkan sistem pembuangan after treatment semacam ini dengan cara yang relatif cepat dan akurat untuk tujuan desain. Ada beberapa desain exhaust manifold yang bentuk dan ukurannya dibatasi tidak hanya oleh karakteristik mesin tetapi oleh kendala ruang dari kendaraan tertentu yang dirancang, menggunakan CFD ANSYS FLUENT untuk mengevaluasi dan membandingkan efek dari tiga bentuk exhaust manifold pada aliran fluida yang sama di pintu masuk converter. Penurunan tekanan di seluruh manifold converter juga merupakan parameter penting yang dipertimbangkan untuk evaluasi desain [1].
Dalam penelitian tentang Tembaga-Seng (CuZn) dan Tembaga (Cu) material sebagai katalis karena memiliki aktivitas yang tinggi dalam sistem pembuangan, biaya produksi rendah, ketersediaannya melimpah, dan dioperasikan pada suhu yang lebih rendah daripada material mulia, Hasil penelitian menunjukkan bahwa katalis CuZn efektif menurunkan emisi CO hingga 47,71% pada 2000 rpm, sedangkan emisi HC menurun hingga 55,34% pada 2500 rpm. Katalis Cu efektif untuk menurunkan emisi CO hingga 46,61% pada 2000 rpm, sementara hasil emisi HC menurun hingga 47,13% pada 2500 rpm. Katalis Zinc-Tembaga dapat mengurangi emisi CO dan HC lebih tinggi dari katalis Cu [2].
Simulasi Peredam Aktif Secara Komputasional Analisa Karakteristik Kebisingan Knalpot Sepeda Motor Sistem Kendali Kebisingan Aktif Metode Elemen Hingga, Simulasi akustik ini bertujuan untuk mengetahui kinerja sistem kendali kebisingan aktif yang dipasang pada knalpot, dan menginterpretasi kontur kebisingan di sekitar knalpot dalam penelitian ini jarak titik pengukuran terhadap sumber kebisingan adalah 1 m terhadap masing-masing sumbu (X, Y, Z). Hasil dari simulasi yang telah dilakukan adalah bahwa sistem kendali kebisingan aktif ini bekerja baik pada putaran rendah, yaitu pada putaran 1000 diperoleh nilai reduksi kebisingan sebesar 2 db, sebaliknya sistem kendali kebisingan aktif ini tidak bekerja pada ptaran tinggi, yaitu pada putaran 4000 tidak dapat mereduksi kebisingan. Selain itu, disimpulkan juga bahwa hasil simulasi lebih kecil sebesar 14 db atau sekitar 23% dari hasil yang diperoleh melalui pengukuran langsung secara eksperimental menggunakan alat SPL [3].
Pada Muffler Design for Automotive Exhaust Noise Attenuation, berbagai jenis muffler dan desain sistem pembuangan motor bakar. Objek dari penelitian ini adalah menentukan desain knalpot yang mana yang mengurangi tingkat kebisingan dan tekanan balik mesin yang besar. Dalam merancang, ada parameter yang berbeda yang harus dipertimbangkan. Parameter ini mempengaruhi efisiensi knalpot. muffler tipe kombinasi lebih efisien daripada muffler reaktif dan
23 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
serap. Teori baru untuk merancang muffler dengan counter-phase melawan aliran splitgas dan metode merancang peredam aktif juga lebih baik untuk penelitian lajutan [4].
2.1. Proses Pembakaran Motor Bakar Bensin
Pembakaran adalah suatu proses oksidasi antara bahan bakar dengan oksigen dimana energy kimia dirubah menjadi energi panas. Perubahan energi yang disebabkan pembakaran adalah hubungan kimia baru, dengan volume yang baru. Jumlah energi kimia baru berkurang, karena sebagian energy berubah menjadi energy panas, unsur-unsur pokok yang diperlukan untuk proses pembakaran adalah bahan bakar dan oksigen.
Motor bakar torak merupakan motor dengan pembakaran dalam atau Internal Combustion
Engine (ICE) dimana pada saat sekarang ini masih banyak digunakan untuk berbagai keperluan
terutama dibidang transportasi, karena hampir semua kendaraaan terutama yang beroperasi di darat menggunakan motor bakar torak sebagai penggeraknya Proses ini terjadi pada motor bensin 4 langkah dengan putaran rendah. Pada motor bensin yang dihisap campuran udara dan bahan bakar. Sesaat sebelum akhir kompresi busi dinyalakan untuk mengawali pembakaran bahan bakar dalam ruang bakar.
Proses pembakaran yang terjadi tidak berlangsung secara sekaligus tetapi memerlukan waktu berdasarkan kenaikan tekanan yang terjadi, proses pembakaran yang terjadi dapat dibedakan dalam 2 periode, yaitu periode penundaan penyalaan, yang ditandai dengan dimulainya percikan bunga api listrik dari busi dan dilanjutkan periode pembakaran intensif, yang ditandai dengan lajunya kenaikan tekanan yang tinggi.
Pada periode penundaan penyalaan awal pembakaran dimulai sejak terjadinya loncatan bunga api listrik pada busi yang merangsang molekul-molekul campuran bahan bakar dan udara sekitarnya. Untuk memulai reaksi kimia yang menyebabkan terbentuknya perambatan nyala api. Kecepatan rambat nyala api pada periode ini masih rendah karena daerah reaksinya masih harus dibentuk dan adanya kerugian kalor yang tinggi di dinding ruang bakar, akibatnya kenaikan tekanan yang terjadi masih kecil.
Gas buang adalah sisa hasil pembakaran yang dihasilkan oleh pembakaran di dalam mesin kendaraan bermotor, fungsi system gas buang diantaranya untuk menyalurkan gas buang hasil pembakaran ke atmosfer, meningkatkan tenaga motor, menurunkan panas, meredam suara motor. Sistem gas buang terdiri dari:
1) Katup Buang
katup buang bertugas menahan gas yang sedang terbakar dalam ruang silinder sehingga terbakar seluruhnya dan pada waktu yang ditentukan katup buang membuka dan menyalurkan gas sisa pembakaran keluar melalui saluran buang.
2) Saluran buang
Saluran buang dipasang untuk menyalurkan gas bekas sisa pembakaran di dalam silinder menuju ke peredam suara.
3) Peredam Suara (Muffler)
Perdam suara bertugas menyalurkan gas bekas ke atmosfir serta meredam suara motor. 4) Peredam suara (Muffler) biasanya terbagi dua jenis, yaitu:
Jenis Lurus (Straight Though) Jenis ini terdiri dari sebuah pipa lurus yang dilingkupi pipa berdiameter lebih besar. Jenis berbelok (Reverse Flow) Jenis ini terdiri dari potongan-potongan pipa yang pendek dan sekat-sekat penahan (baffles) guna menekan gas buang maju dan mundur sebelum keluar. Peredam seperti ini menciptakan suatu ruang pemuaian yang dapat mengurangi suara gas buang dan menahan semburan api [5].
2.2. Catalic Converter
Catalytic Converter ini adalah alat yang akan mereaksikan gas-gas buang yang berbahaya
melalui reaksi kimia sehingga gas-gas tersebut akan berubah menjadi gas yang tidak berbahaya bagi lingkungan atau minimal menjadi gas yang tidak terlalu bahaya. Catalytic
24 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
converter merupakan alat yang digunakan sebagai alat pengontrol emisi gas buang yang diletakan
setelah exhaust manifold pada system pembuangan kendaraan bermotor [6].
Catalytic converter merupakan salah satu inovasi terbesar di industri otomotif. Pasalnya,
peranti ini mampu mengubah zat-zat hasil pembakaran seperti, hidrokarbon (HC), karbon oksida (CO), dan NOx, menjadi zat yang lebih ramah lingkungan. Berdasarkan data Manufactures of
Emission Controls Association (MECA) AS sejak tahun 1970-an hingga saat ini, catalytic converter telah membantu mengurangi polutan sebanyak 1,5 miliar ton di AS dan 3 miliar ton di
seluruh dunia. Ada beberapa macam Catalytic Converter, ada yang berbentuk seperti sarang lebah, keramik dan ada juga yang berbentuk packed bed yang berbentuk silinder dengan penampangnya berbentuk ellips.
Catalytic Converter tersusun dari dua katalis, yaitu katalis reduksi (reduction catalyst) dan
katalis oksidasi (oxidization catalyst) Kedua katalis ini dilapisi katalis logam, seperti platinum, rodium, dan palladium. Baik katalis reduksi maupun katalis oksidasi, struktur permukaannya didesain sedemikian rupa untuk memaksimalkan permukaan katalis sekaligus meminimalkan jumlah katalis yang dipakai. Ada dua jenis struktur permukaan, yaitu struktur sarang lebah
(honeycomb) dan keramik (ceramic beads), struktur sarang lebah paling banyak di gunakan.
Katalis reduksi berfungsi mengurangi emisi oksidasi nitrogen dengan cara mengubahnya menjadi gas nitrogen dan oksigen. Logam platinum dan rodium berfungsi sebagai katalis untuk mempercepat reaksi, ketika molekul NO atau NO2 bersinggungan dengan katalis logam,
permukaan katalis memecah oksida. Nitrogen menjadi atom nitrogen dan oksigen. Atom nitrogen di tahan di permukaan katalis sedangkan unsur oksigen di ubah menjadi molekul O2, selanjutnya
atom nitrogen yang bertahan dalam katalis berikatan dengan atom nitrogen lainnya sehingga membentuk gas nitrogen (N2).
Katalis oksidasi berfungsi mengubah senyawa hidrokarbon yang tidak terbakar di ruang bakar dan karbon monoksida menjadi gas karbon di oksida dan uap air. Caranya dengan mengalirkan gas oksigen ke dalam katalitik konverter sehingga sisa senyawa hidrokarbon dan karbon monoksida akan bereaksi dengan gas oksigen. Reaksi karbon monoksida dan oksigen menghasilkan karbon dioksida, sedangkan senyawa hidrokarbon akan bereaksi dengan oksigen menghasilkan karbon dioksida dan uapa air. Pada proses ini, laju reaksi yang terjadi dipercepat oleh katalis platinum dan palladium.
Catalytic converter pada saluran gas buang kendaraan bermotor ditempatkan dibelakang
anatara saluran gas buang dengan header, dengan pertimbangan agar catalytic converter cepat panas ketika mesin dinyalakan. Kendaraan yang menggunakan catalytic converter harus menggunakan bensin tanpa timbal, karena timbal pada bensin akan menempel pada katalis yang mengakibatkan katalisator tersebut tidak efektif. Agar catalytic converter tersebut lebih efektif, campuran udara dan bahan bakar harus dalam perbandingan stokiometri. Perubahan yang paling kecil pada perbandingan udara-udara bahan bakar mengakibatkan kenaikan yang besar pada emisi gas buangnya. Pada saat motor dilakukan pemanasan, udara skunder dari pompa didorong menuju ruang udara pembatas. Udara tersebut membantu untuk mengoksidasi katalis mengubah HC dan CO menjadi karbon dioksida dan air. Catalytic converter ditempatkan di belakang exhaust manifold atau diantara muffler dengan header. Alasannya, catalytic converter cepat panas ketika mesin dinyalakan. Selain itu, sensor bisa segera bekerja untuk menginformasikan kebutuhan campuran bahan bakar udara yang tepat ke Engine Control Machine (ECM). Peranti catalytic converter baru bekerja efektif ketika kondisinya panas.
2.3. Material Catalic Converter
Material kuningan adalah logam paduan tembaga dan seng (CuZn). Tembaga merupakan komponen utama dari kuningan, dimana jumlah kandungan tembaga bervariasi antara 55% sampai dengan 95% menurut beratnya tergantung pada jenis kuningan. Komponen kedua yaitu seng, bervariasi antara 5% sampai dengan 40% menurut beratnya tergantung pada jenis kuningan
25 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
Kuningan dengan persentase seng yang lebih tinggi memiliki sifat lebih kuat dan lebih keras, tetapi juga lebih sulit untuk dibentuk, dan memiliki ketahanan kurang terhadap korosi. Material tembaga atau cuprum dalam tabel periodik yang memiliki lambang Cu dan nomor atom 29. Tembaga di alam tidak begitu melimpah dan ditemukan dalam bentuk bebas maupun dalam bentuk senyawa. Bijih tembaga yang terpenting yaitu pirit atau chalcopyrite (CuFeS2), copper
glance atau chalcolite (Cu2S), cuprite (Cu2O), malaconite (CuO) dan malachite (Cu2(OH)2CO3.
Cu2S atau matte yang yang diperoleh kemudian direduksi dengan cara dipanaskan dengan udara terkontrol, sesuai reaksi.
2Cu2S(s) + 3O2(g) ―→ 2Cu2O(s) + 2SO2(g) Cu2S(s) + 2Cu2O(s) ―→ 6Cu(s) + SO2(g)
Tembaga yang diperoleh pada tahap ini disebut blister atau tembaga lepuhan sebab mengandung rongga-rongga yang berisi udara.
2.4. Software Simulasi
Dalam melaksanakan penelitian penulis menggunakan bantuan software untuk melakukan simulasi yaitu software Solidworks, adalah sotware yang banyak digunakan para desainer untuk memudahkan dalam membangun suatu desain. Software ini dioperasikan pada Microsoft Windows dan sedang dikembangkan oleh Dassault Systèmes Solidworks Corp, anak perusahaan dari
Dassault Systèmes, SA (Vélizy, Perancis, Solidworks saat ini pasar beberapa versi perangkat lunak
CAD Solidworks selain eDrawings, alat kolaborasi, dan DraftSight, 2D CAD.
3. Metodologi Penelitian
Penelitian ini menggunakan beberapa komponen sebagai berikut:
1) Motor bensin 4 langkah satu silinder spesifikasi volume silinder 150 cc dan perbandingan kompresi 10,40:1 dengan daya maksimum sebesar 11,10 KW (14,88 HP)/8,500 rpm, Torsi maksimum 13,10 nm (1,34 kgf.m)/750 rpm.
2) Catalytic converter yang dibuat sebelumnya seperti terlihat pada Gambar 1 dan 2.
26 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
Gambar 2. Desain catalytic converter berbahan tembaga
3) Perangkat komputer yang telah terinstal software solidworks untuk membuat desain dan melakukan simulasi, seperti terlihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Desain Knalpot pada software Solidworks 4. Hasil Dan Pembahasan
Proses simulasi mendapatkan hasil tingkat kecepatan mengalami kenaikan, jika diberikan katalis pada exhaust manifold, karena diberikan penghambat di dalamnya dan jalur kecil sebagai jalan keluar, luas penampang mengakibatkan kenaikan kecepatan fluida, dibandingkan exhaust
manifold yang tidak menggunakan katalis yang kecepatannya stabil dan rendah, seperti terlihat
27 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
Gambar 4. Hasil simulasi knalpot dengan catalytic converter bahan kuningan, L= 10 cm
Gambar 5. Hasil simulasi knalpot dengan catalytic converter bahan Tembaga, L= 10 cm
Dari hasil simulasi diperoleh informasi laju aliran fluida gas bekas pada knalpot dengan
catalytic converter berbahan kuningan dengan panjang 10 cm berbeda dengan catalytic converter
berbahan tembaga panjang 10 cm, seperti terlihat pada Gambar 4 dan 5, perubahan warna, untuk
catalytic converter berbahan kuningan warna kuning terlihat muncul banyak sedangkan pada catalytic converter berbahan tembaga sedikit terlihat warna kuning. Hal ini menggambarkan bahwa
penggunaan bahan catalytic converter juga berpengaruh terhadap laju aliran fluida gas bekas.
5. Kesimpulan
Hasil dari penelitian ini memperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Material yang digunakan dalam penelitian ini berpengaruh terhadap emisi gas buang terjadi, setiap material yang mempunyai sifat tersendiri mampu mereduksi dan menimalisir kadar dalam gas buang.
28 | I t e k s V o l 1 3 N o 1
2. Aliran yang terjadi mengalami penghambatan namun langsung direduksi oleh catalityc
converter.
Saran yang perlu diperhatikan dalam penelitian lanjutan adalah menggunakan data input yang didapat dari uji mekanik pada motor bensin diharapkan akan memperoleh hasil simulasi yang lebih akurat.
6. Referensi
[1]. Simón Martínez-Martínez dkk, 2010, CFD Analysis Of The Effect Of The Exhaust Manifold
Design On The Close Coupled Catalytic Converter Performance. Computational Fluid Dynamics (CFD)
[2]. Khairatun Nisa dkk, 2016, Design Innovation Of Motorcycle Muffeler By Applying Catalytic
Converter Based On Non-Noble Material To reduce Exhaust Emmission.
[3]. Rinaldo Hasibuan, Erwinsyah Batubara, 2016, Simulasi Peredam Aktif Secara Komputasional Analisa Karakteristik Kebisingan Knalpot Sepeda Motor Sistem Kendali Kebisingan Aktif Metode Elemen Hingga, Universitas Sumatera Utara.
[4]. Mr. Jigar H. Chaudhri, dkk, 2014, Muffler Design for Automotive Exhaust Noise Attenuation, Gujarat, India.
[5]. Arismunandar, Wiranto, 2002, Penggerak Mula Motor Bakar, ITB, Bandung
[6]. Hardianto, Toto, 1993, Usaha Pengurangan dan Pengontrolan Polusi Gas Buang, ITB, Bandung.
