Emission Control SystemEmission Control System

Gas BuangGas Buang

Atmosfir bumi atau udara terdiri dari dua gas utama yaitu oksigen (O2) sekitar 21 % dan nitrogen (N2) sekitar 78% serta sisanya 1% terdiri dari bermacam-macam gas diantaranya adalah carbon dioksida dan argon.

Disamping argon dan carbon dioksida, masih banyak gas/zat yang dihasilkan manusia seperti carbon monoksida (CO), hidro carbon (HC), nitrogen oksid (NOx) dan sulfur dioksida (Sox).

Sedangkan zat yang dihasilkan oleh kendaraan bermotor (mobil) dapat dibagi menjadi 3 macam yaitu : CO,HC dan NOx. Gas ini sangat mengganggu pernapasan, dan berbahaya terhadap manusia, binatang dan tanaman.

Ada 3 sumber CO, HC dan NOx , yaitu : gas buang, blow-by gas dan uap bahan bakar.

Gas Carbon MonoksidaGas Carbon Monoksida

Gas CO dihasilkan oleh pembakaran yang tidak sempurna akibat dari kekurangan oksigen pada pembakaran (campuran gemuk). Walaupun secara teori tidak terdapat CO pada campuran yang kurus akan tetapi pada kenyataannya CO juga dapat dihasilkan pada campuran yang kurus karena pembakaran tidak merata karena distribusi bensin yang tidak merata di dalam ruang bakar, juga karena temperature di sekeliling silinder rendah sehingga api tidak dapat mencapai daerah ini pada ruang bakar.

Konsentrasi (perbandingan volumetric) dari CO dalam gas buang pada umumnya ditentukan oleh perbandingan udara dan bensin. Di bawah ini ditunjukkan perubahan konsentrasi terhadap perubahan perbandingan udara dan bensin. Campuran yang semakin kurus akan menghasilkan CO yang semakin rendah.

11 12 13 14 15 16 17 180

1

2

3

4

5

6

7

8

AIR FUEL RATIORic h Le a n

C O %

The o re tic a lA ir fue l ra tio

Gas HydrocarbonGas Hydrocarbon

Bila uap bensin dipanaskan pada temperature tinggi, akan terjadi oksidasi, akibatnya adalah pembakaran tidak sempurna bahkan ada bagian yang tidak terbakar. Bensin yang tidak terbakar ini keluar dari ruang bakar dalam bentuk HC. HC bersumber dari :

Bensin yang tidak terbakar akibat overlap katup

Gas sisa di dinding silinder dan terbuang saat langkah buang

Gas yang tidak terbakar yang tertinggal di belakang ruang bakar setelah misfiring ketika jalan menurun atau saat engine brake

Gas yang tidak terbakar akibat pembakaran terlalu singkat atau campuran terlalu gemuk

11 12 13 14 15 16 17 180

200

AIR FUEL RATIORic h Le a n

H C (p

p m)

Th e o re tic a lA ir fue l ra tio

400

600

800

Nitrogen OksidNitrogen Oksid Nitrogen oksid terjadi karena reaksi molekul

nitrogen dengan oksigen pada temperature yang tinggi (1800o C). dengan demikian NOx terbentuk selama berlangsungnya pembakaran yang sempurna, karena pada pembakaran yang sempurna akan menghasilkan panas yang maksimal.

Bila temperature tidak naik sampai diatas 1800o C, kemudian nitrogen dan oksigen dibuang ketika langkah buang tanpa bergabung membentuk NO.

Dengan demikian factor yang mempunyai efek terbesar terhadap timbulnya NOx selama proses pembakaran adalah temperature maksimum di ruang bakar dan perbandingan udara dan bensin.

Jalan terbaik untuk mengurangi NOx adalah dengan mencegah temperature di ruang bakar mencapai 1800o C atau memperpendek waktu dalam mencapai temperature tinggi, kemungkinannya adalah menurunkan konsentrasi oksigen.

Konsentrasi Nox paling besar dihasilkan pada perbandingan udara dan bensin 16:1, perbandingan di atas atau di bawah nilai tersaebut akan menghasilkan Nox yang lebih rendah. Konsentrasi Nox pada campuran kaya (< 16:1) akan rendah karena konsentrasi oksigen rendah, sedangkan untuk campuran yang lebih kurus, pembakarannya lebih lambat sehingga menghambat kenaikan temperature di ruang bakar sampai tingkat maksimumnya.

11 12 13 14 15 16 17 180

1000

AIR FUEL RATIORic h Le a nN O

x (pp

m)

Th e o re tic a lA ir fue l ra tio

2000

3000

4000

PemanasanPemanasan

Waktu pemanasan adalah dari mesin dihidupkan dalam kondisi dingin sampai mesin mencapai temperature kerja. Dalam kondisi dingin bensin tidak dapat menyerap dengan sempurna sehingga campuran menjadi gemuk dan pembakaran menghasilkan CO dan HC yang banyak. Air fuel ratio berkisar 5~14:1

C O + HC

Air fue l ra tio5-14:1

IdlingIdling

Selama idling, temperature di ruang bakar rendah sehingga bensin belum sempurna menguap. Untuk menjaga agar putaran idling stabil maka diperlukan suplai bensin tambahan (memperkaya campuran). Produksi CO dan HC akan meningkat disebabkan pembakaran yang tidak sempurna, sedangkan produksi NOx akan berkurang sampai nol karena temperature pembakaran yang masih rendah.

C O + HC

Air fue l ra tio13-14:1

Saat Kecepatan RendahSaat Kecepatan Rendah

Pada kecepatan rendah dan sedang, perbandingan udara dan bensin lebih kurus dari perbandingan teoritis. Mesin sudah memproduksi CO, HC dan NOx.

C O + HC + N O x

Air fue l ra tio14-16:1

Saat Kecepatan TinggiSaat Kecepatan Tinggi

Apabila kecepatan mobil lebih dari 100 km/jam, mesin menghasilkan output yang tinggi dan air fuel ratio menjadi lebih gemuk dari nilai teoritis untuk mencapai tenaga yang diinginkan. Produksi CO dan HC akan naik, tetapi NOx tidak berkurang karena bertambahnya temperature sekalipun pada campuran gemuk.

C O + HC + N O x

Air fue l ra tio13-14:1

Akselerasi/PercepatanAkselerasi/Percepatan

Apabila throttle valve dibuka mendadak maka akan ada suplai bensin murni ke ruang baker yang akan memperkaya campuran. Pada kondisi ini produksi CO dan HC akan meningkat. Selanjutnya karena kecepatan mesin bertambah maka kecwepatan pembakaran juga meningkat, menyebabkan temperature akan naik dan meningkatkan produksi NOx.

C O + HC + N O x

Air fue l ra tio8:1

Deselerasi/PerlambatanDeselerasi/Perlambatan Saat engine brake, throttle

valve akan menutup rapat sehingga meningkatkan kevacuuman di ruang bakar dan intake manifold. Kevacuuman ini akan menurunkan kecepatan rambat api, dan menyebabkan api padam sebelum merambat ke seluruh ruang bakar. Kondisi ini akan meningkatkan produksi HC di gas buang. Selain itu dengan berkurangnya oksigen yang masuk maka campuran akan menjadi gemuk yang dapat meningkatkan kadar CO pada gas buang. Dengan tidak adanya (berkurangnya) pembakaran, maka temperature ruang bakar akan turun sehingga produksi NOx juga akan rendah.

C O + HCAir fue l ra tioRic h

Beban BeratBeban Berat

Bila kendaraan mendapat beban berat (mendaki) maka system pengaya akan bekerja, sehingga campuran udara dan bensin menjadi gemuk sekali. Pada kondisi ini produksi CO dan HC akan naik sedangkan produksi NOx akan turun.

C O + HC + N O x

A i r f u e l r a t i o1 1 - 1 3 : 1

PCV (Positive Crankcase Ventilation)PCV (Positive Crankcase Ventilation) 70% sampai 80% blow-by gas yang terdapat di dalam crankcase

adalah gas yang tidak terbakar (HC), sedangkan sisanya 20% sampai 30% terdiri atas hasil tambahan adri pembakaran (uap air dan berbagai jenis asam). Semuanya dapat merusak oli mesin, menghasilkan Lumpur atau menyebabkab karat di dalam crankcase. Untuk mencegahnya maka blow-by gas dikeluarkan ke intake manifold untuk kemudian disalurkan kembali ke ruang baker untuk dibakar kembali.

Banyaknya blow-by gas lebih tergantung dari vacuum intake manifold dan atau beban mesin daripada kecepatan mesin. Oleh karena itu apabila dari cylinder head cover ke intake manifold hanya dihubungkan dengan pipa, hasilnya tidak efektif. Karena beban ringan kevacuuman pada intake manifold kuat sedangkan produksi blow-by gas sedikit, sedangkan pada beban berat kevacuuman di intake manifold rendah sedangkan blow-by gas yang dihasilkan banyak.

Oleh karena itu katup PCV dipasangkan diantara cylinder head cover dengan intae manifold, untuk mengatur jumlah blow-by gas yang masuk ke intake manifold untuk dibakar kembali sesuai dengan vacuum intake manifold.

Mesin Berhenti atau Back Firing Mesin Berhenti atau Back Firing (Pembakaran Balik)(Pembakaran Balik)

Katup menutup karena beratnya sendiri dan berat pegas.

Sisi inta ke m a nifo ld

Sisi c ylind e r he a d

Ka tup

Tutup ka tup PC V

Idling atau PerlambatanIdling atau Perlambatan

Pada saat idling kevacuuman di intake manifold besar sehingga katup PCV terangkat (terbuka). Blow-by gas yang mengalir ke intake sedikit Karena saluran di katup PCV sempit

Sa lura n va c uum se m p it

Ka tup PC V te rb uka

NormalNormal

Kevacuuman di intake manifold normal, katup sedikit turun dari posisi idling, saluran terbuka semakin lebar.

Sa lura n va c uum le b a r

Ka tup PC V te rb uka

Percepatan atau Beban BeratPercepatan atau Beban Berat

Kevacuuman di intake manifold kecil, katup PCV semakin turun, saluran terbuka penuh, semakin banyak blow-by gas yang mengalir ke intake manifold.

Sa lura n va c uumte rb uka p e nuh

Ka tup PC V te rb uka

Grafik PCVGrafik PCV

Pada grafik di samping terlihat bahwa jumlah blow-by gas yang dialirkan oleh katup PCV pada beban berat sangat kecil, walaupun jumlah gas yang dihasilkan cukup besar. Oleh karena itu apabila jumlah blow-by gas diluar kemampuan katup PCV untuk mengalirkan ke intake manifold, maka blow-by gas juga disalurkan dari saringan udara melalui pipa penyambung saringan udara ke cylinder head cover.

VAC UUMWe a k(flo w lo a d )

Stro ng(id ling )

BLOW

-BY G

ASSm

allLa

rge

EVAPORATIVE CONTROL SYSTEMEVAPORATIVE CONTROL SYSTEM

EVAP control system berfungsi mencegah pengeluaran uap bensin yang berlebihan dan semaksimal mungkin dapat dimanfaatkan untuk pembakaran kembali. Pada saat kendaraan berjalan atau temperature udara tinggi, maka bensin di dalam tanki akan menguap. Uap bensin tersebut dapat menekan pressure control valve, sehingga uap terhisap oleh canister.

EGR (Exhaust Gas Recirculating)EGR (Exhaust Gas Recirculating)

EGR system berfungsi untuk mengontrol pembentukan gas NOx pada gas buang. NOx terbentuk karena meningkatnya temperature pada ruang bakar. EGR system bekerja untuk mengalirkan kembali gas buang ke ruang bakar melalui intake manifold, untuk memperkurus campuran udara bensin sehingga temperature ruang bakar akan turun dan pembentukan gas NOx dapat dicegah.

BE

CAD

F

EC M

Da ri M a in Re la yEG R Va lve

CATALYTIC CONVERTERCATALYTIC CONVERTER

Catalist adalah suatu zat yang menimbulkan reaksi kimia yang zat itu sendiri tidak berubah bentuk maupun beratnya. Sebagai contoh apabila HC,CO dan NOx dipanaskan dengan oksigen sampai 500o C, tidak terjadi reaksi kimia. Akan tetapi apabila pemanasan tersebut berlangsung di catalyst maka akan terjadi reaksi kimia dan gas ini berubah menjadi CO2,H2O dan N2 yang tidak berbahaya.

C OH CN O xO 2

C A T A L Y S TC O 2H 2 ON 2

Pada umumnya catalyst terbuat dari platinum, palladium, iridium, rhodium dan lain-lain. Catalyst ditempelkan pada permukaan carrier agar permukaan yang terkena gas buang bertambah.

Apabila kendaraan sudah menggunakan catalyst, maka harus selalu menggunakan bensin yang tidak mengandung timah karena apabila menggunakan bensin yang mengandung timah, permukaan catalyst akan terlapisi timah dan menjadi tidak efektif lagi.

Seperti terlihat pada grafik bahwa ternyata catalyst akan bekerja maksimal apabila temperature catalyst di atas 400o C. Artinya catalyst tidak bekerja dengan maksimal pada temperature di bawah 400o C.

Purification rate digunakan sebagai ukuran bila perbandingan gas polusi di dalam gas buang yang dapat dirubah menjadi gas non pulosi.

0 300 o C 400 o CPu

rifica

tion

rate

100 %

Ada 3 system catalytic converter, Ada 3 system catalytic converter, yaitu :yaitu :

System Oxidation Catalyst (OC)System Three-Way Catalyst (TWC)System Three-Way Catalyst dan

Oxidation Catalyst (TWC-OC)

Oxidation Catalyst (OC)Oxidation Catalyst (OC) Di dalam CCO (Catalytic Converter

for Oxidation), CO dan HC direaksikan dengan oksigen untuk membentuk CO2 dan H2O yang tidak berpolusi.

2CO + O2 2CO2

4HC + 5O2 4CO2 + 2H2O agar oksidasi bekerja dengan

efisien, maka harus ada kelebihan oksigen pada exhaust manifold. Oleh karena itu harus ada udara murni yang di masukkan ke converter. Akan tetapi karena hanya mengurangi sedikit NOx, gas buang harus diresirkulasikan melalui system EGR.

Air c le a ne r

Thro ttle b o d y

Inta ke m a n ifo ld

Eng ine

Exha ust m a nifo ld

O xid a tio n c a ta list

Exha ust g a s

EG RAir suc tio n

o rA ir in je c tio n

Three-Way Catalyst (TWC)Three-Way Catalyst (TWC)

Type ini merupakan yang paling ideal dari semua type catalytic converter. Karena tidak hanya CO dan HC saja yang dirubah menjadi zat non polusi tetapi juga NOx. NO dan O2 sebagai komponen oksidasi (yang menyebabkan terbakar), dan CO dan HC sebagai komponen yang berkurang (terbakar) bereaksi sesuai dengan persamaan umum seperti di bawah ini dan membentuk komponen netral (inactive) N2, H2O dan CO2.

NOx + CO N2 + CO2

NOx + HC N2 + CO2 + H2O

O2 + CO CO2

O2 + HC H2O + CO2 Agar type converter ini bekerja dengan baik maka syarat mutlak yang harus

dipenuhi adalah perbandingan udara dan bensin harus sedekat mungkin dengan nilai teoritis (14,7:1). Bila ini tercapai maka akan didapat purification rate yang tinggi sekali untuk ketiga pollutant, seperti pada grafik di bawah ini.

Untuk mendapatkan nilai perbandingan udara dan bensin seakurat mungkin untuk mendekati nilai teoritis, maka pada type converter ini selalu dilengkapi dengan oksigen sensor. Oksigen sensor akan menghitung nilai perbandingan udara dan bensin dari kandungan oksigen pada gas buang, untuk memberi input ke ECM yang akan mengoreksi secara terus menerus air-fuel ratio.

Ric he r Le a ne r

C O

HC

NO X

P URI

FICAT

ION

RATE

Low

High

O p e ra tio na lra ng e o fc o nve rte r

The o ritic a la ir-fue lra tio

AIR-FUEL RATIO

Three-Way Catalyst & Oxidation Three-Way Catalyst & Oxidation Catalyst (TWC-OC)Catalyst (TWC-OC)

System ini digunakan pada system emission control dengan system oxidation catalyst dan three way catalyst untuk lebih banyak mengurangi polusi udara. System ini merupakan kombinasi dari 2 sistem yang sudah dibahas sebelumnya.

TWC -O C

C a ta lytic c o nve rte r

A ir suc tio nva lve