Catalytic Converter, Pengendali Polusi Udara

Catalytic Converter, Pengendali Polusi Udara

Catalytic converter adalah subjek dalam pengendalian emisi gas kendaraan bermotor. Harga mobil yang relatif terjangkau, apalagi dengan uang muka yang juga relatif kecil (30% dari harga) menjadi sebab utama kenaikan jumlah kendaraan yang berdampak pada kenaikan konsentrasi polusi udara. Oleh sebab itu, sektor transportasi menjadi komponen penting dalam pengendalian polusi udara di kota-kota metro. Namun demikian, ada dua tindakan yang dapat dilakukan untuk mereduksi konsentrasi pencemar udara kendaraan bermotor:

1. Pengendalian tak langsung dengan mencegah emisi polutan, mensubstitusi teknologi mesin dengan yang lebih canggih, perbaikan proses pembakaran/combustion atau menggunakan kendaraan listrik.

2. Pengendalian langsung dengan merekayasa peralatan reduktor emisi dalam crankcase, tangki BBM, karburator dan knalpot.

Mesin baru

Dalam pengembangan mesin, bagian pertama yang ditingkatkan fungsinya ialah karburator, kendali daya dorong (thrust control), perbaikan sistem idling, optimasi choke, preheating udara intake, ruang atomisasi, karburator elektronik, pengapian elektronik dan sistem injeksi BBM.

Perbaikan juga dilakukan dalam bidang desain ruang pembakaran/combustion chamber. Penggunaan sensor knock memungkinkan kompresi menjadi lebih tinggi sehingga temperatur ruang pembakaran yang lebih tinggi ini berfungsi sebagai penahan panas gas buang sehingga dapat mengurangi emisi gas polutan. Reduksi gas polutan akan efisien jika dilakukan pengolahan gas buang yang didukung oleh perbaikan mesin. Injeksi udara dekat katup pembuangan gas pada temperatur di atas 650^o C akan menghasilkan oksidasi CO dan HC. Konversi gas buang yang signifikan akan terjadi jika temperatur cukup tinggi. Ini disebut thermal reactor yang menggunakan udara berlebih.

Selain secara thermal reactor, juga dilakukan dengan katalis untuk konversi (reaksi kimia) dari logam mulia seperti platina dan rhodium. Reaksi kimia ini terjadi pada temperatur yang lebih rendah sehingga cepat terjadi. Logam mulia mengoksidasi CO dan HC menjadi CO₂ dan H₂O. Proses konversi ini perlu dikendalikan karena katalis sangat sensitif terhadap lead sehingga dapat ‘teracuni, poisoned” atau jenuh, worn out.

Menurut aplikasinya, ada 4 macam tipe catalytic converter:

1. Oxidizing catalytic system.

2. Reducing catalytic conversion system.

3. Dual-bed catalytic converter.

4. Three-way catalytic converter system.

1. Oxidizing catalytic system.

Katalis ini mempercepat oksidasi CO dan HC yang dioperasikan pada kondisi oksigen berlebih, over-stoichiometric (l=1) atau dengan umpan oksigen dari injeksi udara sekunder, secondary air injection. Katalis yang biasa digunakan ialah platina atau palladium. Tipe katalis ini dipasang pada karburator.

Berikut ini reaksinya. Oksigen berlebih mengoksidasi CO dan HC dengan reaksi:

a. 2CO + O₂ --> 2CO₂

b. HnCm + (m+n/4)O₂ --> mCO₂ + n/2 (H₂O).

Pada proses di atas, gas NOx tidak dapat direduksi sehingga diperlukan katalis lain. Kekurangan katalis ini, ia dapat dikotori oleh lead/timbal, belerang, dan fosfor.

2. Reducing catalytic conversion system.

Gas NOx yang tak dapat diolah oleh katalis oksidasi di atas, dapat diganti dengan rhodium dan ruthenium untuk mempercepat proses reduksi NOx menjadi gas N₂. Sedangkan konversi menjadi amonia, NH₃ tidak diinginkan karena dapat diubah kembali oleh katalis pengoksidasi menjadi gas NOx. Proses reduksi dapat terjadi jika ada reduktor yang berlebih seperti CO dan HC serta mesin dioperasikan pada rentang kondisi under-stoichiometric dengan l <1 --="" .="" 2co="" 2no=""> N₂ + 2CO₂.

3. Dual-bed catalytic converter.

Inilah tipe kombinasi antara catalytic converter tipe oksidasi dengan tipe reduksi yang beroperasi pada kondisi rentang rich. Secondary air, udara sekunder diinjeksikan di antara dua tipe katalis tersebut. Dengan cara ini dimungkinkan terjadi reaksi secara serempak untuk mereduksi NOx, CO dan HC. Kekurangan tipe katalis reduksi ini, mesin harus dioperasikan pada rentang rich sehingga konsumsi BBM menjadi tinggi.

Raksi kimia reduksi dan oksidasi saling melengkapi satu sama lain dan saling bergantung. Reduksi serentak polutan CO, HC dan NOx akan terjadi jika komposisi gas buang dalam rentang stoikiometri. Agar proses berlangsung dengan baik, perlu campuran BBM-udara yang konstan pada semua kondisi pembebanan mesin walaupun hal ini tidak dapat dikontrol dengan peralatan pencampur BBM mekanis. Dengan demikian diperlukan sistem loop tertutup (closed-loop) yang secara tetap memonitor gas buang dan jika ada deviasi/penyimpangan dari l =1 maka dengan otomatis mengubah/mengadaptasi jumlah BBM yang diinjeksikan. Hal ini dilakukan oleh Lambda sensor untuk memonitor campuran udara-BBM. Jika terjadi deviasi dari l =1, maka dengan spontan sistem loop mengubah sinyal sensor. Unit kendali elektronik akan menerima sinyal dari sensor ZrO2 dan mengoreksi campuran udara-BBM.

4. Three-way catalytic converter system.

Tipe keempat ini ialah konverter pengolah gas buang yang menghasilkan efluen dengan kualitas yang sangat baik dilihat dari segi kualitas gas olahan yang relatif bersih. Ini disebabkan oleh sistem pencampur udara-BBM yang berbasis komputer dan konversi yang serentak terhadap polutan CO, HC dan NOx. Katalisnya adalah platina dan rhodium.

Reaksi di dalam katalis three-way adalah:

NO + CO + HC --> N₂ + CO₂ + H₂O.

Reaksi di atas perlu dikendalikan agar rasio oksidator (NO) terhadap reduktor (CO dan HC) dapat menghasilkan penyisihan semua polutan sekitar 95%. Ini dapat dilakukan oleh sensor ZrO₂ (zirconium dioksida). Sensor ZrO₂ terdiri atas silinder yang salah satu ujungnya berupa ZrO₂ yang dilapisi platina dan dimasukkan ke dalam manifold gas buang. Sensor ini berupa sel elektrolit dengan ZrO₂ berfungsi sebagai elekrolit padat. Tegangan outputnya berfungsi untuk mengisi kadar oksigen di dalam gas buang. Hal ini akan mengendalikan komputer pengendali agar rasio A/F tetap berkisar ± 0,05 sehingga tetap pada grafik teratas. *