Mobil konvensional, emisi dan diagnosis: hasil pembakaran, katalis tiga arah dan sensor oksigen, resirkulasi gas buang dan penyaring partikel, OBD-II, kode galat, data bingkai beku, dan uji emisi

Sebuah rumah sakit memakai mobil boks bensin untuk mengantar obat dan linen, dan minibus diesel untuk antar-jemput staf; keduanya dijadwalkan uji emisi berkala hari Jumat. Selasa sore, lampu periksa mesin mobil boks menyala. Sopir membawanya ke bengkel kecil dan meminta "kodenya dihapus saja" supaya lampu padam sebelum uji. Lampu memang padam. Pada hari Jumat, alat uji gas buang menunjukkan CO dan HC di atas batas, dan dua hari kemudian lampu menyala lagi. Teknisi armada akhirnya membaca alat pindai: kode efisiensi katalis di bawah ambang dan kode salah bakar silinder 3 yang tertunda. Bingkai beku kode pertama sudah hilang, dan monitor katalis belum selesai.

Menghapus kode mematikan lampu, bukan memperbaiki pembakaran. Bab ini menjelaskan asal gas buang berbahaya, cara kerja katalis tiga arah dan sensor oksigen, peran resirkulasi gas buang dan penyaring partikel, cara membaca OBD-II, dan apa yang diukur pada uji emisi di Indonesia.

Batas pembahasan

Bab ini membahas emisi gas buang dan diagnosis berbasis OBD-II pada mobil bensin dan diesel dari sisi teknisi armada. Perbandingan udara dan bahan bakar stoikiometrik dan jelaga diesel ada di Bab 3; lambda, sensor mesin, dan kendali umpan balik di Bab 4; format kode galat, status kode, dan data langsung di Bab 10; stoikiometri di Bab 7 · Kimia; katalis dan laju reaksi di Bab 13 · Kimia; konsentrasi gas dan ventilasi di Bab 11 · Kimia; dan ruang terbatas di Bab 11 · Keselamatan. Contoh hitung lambda tidak diulang. Mengganti katalis atau sensor dan memprogram ulang pengendali adalah pekerjaan bengkel.

Bagian OBD-II hanya menulis prinsip umum. Angka di contoh dan latihan bab ini bukan data kendaraan tertentu, kecuali batas uji yang disebut asalnya.

Hasil pembakaran

Pembakaran sempurna hidrokarbon hanya menghasilkan karbon dioksida dan air. Persamaannya untuk oktana, salah satu komponen bensin:

$$\mathrm{2C_8H_{18}+25O_2\longrightarrow 16CO_2+18H_2O}$$

Pada mobil, bensin, oksigen, dan sedikit nitrogen terpakai; karbon dioksida dan air adalah hasil utama; karbon monoksida dan oksida nitrogen terbentuk dalam jumlah lebih kecil. Zat yang diatur karena berbahaya:

Karbon monoksida adalah hasil pembakaran tidak sempurna, dan merupakan polutan dari pembakaran bahan bakar hidrokarbon yang diatasi mobil dengan pengubah katalitik. Jumlah karbon dioksida sebanding dengan bahan bakar yang dibakar. Dengan massa molar oktana 114,23 g/mol, CO₂ 44,01 g/mol, dan air 18,02 g/mol, satu mol oktana menghasilkan 8 mol CO₂ dan 9 mol air, jadi 1 kg oktana menghasilkan $8 \times 44{,}01/114{,}23 = 3{,}08$ kg CO₂ dan $9 \times 18{,}02/114{,}23 = 1{,}42$ kg air, seperti stoikiometri di Bab 7 · Kimia. Air itulah yang menetes dari knalpot dingin.

Oksida nitrogen terbentuk ketika nitrogen dan oksigen udara bereaksi pada suhu tinggi, sedangkan nitrogen di atmosfer tidak reaktif. Nitrogen monoksida adalah polutan udara dari mesin pembakaran dalam, dan oksida nitrogen serta sulfur ikut menyebabkan hujan asam. Karena NOx terbentuk pada suhu nyala puncak, pembakaran yang lebih panas dan lebih ramping, yang menurunkan CO dan HC, cenderung menaikkan NOx.

Katalis tiga arah dan jendela lambda

Katalis tiga arah (three-way catalyst) adalah pengubah katalitik di saluran buang yang secara bersamaan mengoksidasi karbon monoksida dan hidrokarbon serta mereduksi oksida nitrogen. Pengubah katalitik dikembangkan untuk mengurangi emisi beracun dari pembakaran bensin, dan campuran logam katalis yang dipilih dapat membakar semua senyawa karbon menjadi karbon dioksida sekaligus mengurangi oksida nitrogen, padahal satu langkah menambah oksigen dan langkah lain mengambilnya. Kebanyakan katalis tiga arah modern berlapis platina-rodium, dengan reaksi oktana di atas ditambah:

$$\mathrm{2NO_2\longrightarrow N_2+2O_2} \qquad \mathrm{2CO+O_2\longrightarrow 2CO_2}$$

Paladium juga umum dipakai. Pengubah katalitik mengubah gas buang berbahaya menjadi gas yang lebih aman. Katalis mempercepat reaksi tanpa ikut habis, seperti di Bab 13 · Kimia tentang laju reaksi, tetapi baru bekerja di atas suhu tertentu.

Sebuah buku ajar kimia menulis bahwa kebanyakan pengubah katalitik dipanaskan dulu dengan pemanas listrik; namun pemanas listrik hanya ada pada sebagian kendaraan, dan kebanyakan katalis dipanaskan gas buang dengan bantuan strategi pengendali saat mesin dingin. Sebuah laporan lapangan menggambarkan strategi itu: saat start dingin putaran naik sampai sekitar 1.800 rpm untuk memanaskan katalis; angka itu khas satu mobil.

Oksidasi dan reduksi hanya berjalan bersama bila campuran sangat dekat dengan stoikiometrik. Jendela lambda (lambda window) adalah rentang sempit di sekitar lambda 1 ketika katalis tiga arah mengubah CO, HC, dan NOx sekaligus dengan efisiensi tinggi. Di sisi ramping, oksigen berlebih membuat NOx tidak tereduksi; di sisi kaya, oksigen kurang untuk mengoksidasi CO dan HC. Sebuah laporan pemerintah Inggris menyebut sasaran kendali sekitar plus minus 0,05 di sekitar titik stoikiometrik, dengan satuan yang tidak jelas, dan menyebut bahwa sensor dua keadaan dan kelembaman kendali membuat campuran berayun sekitar 1 Hz. Sebuah paten mendefinisikan jendela itu dengan konversi sekurang-kurangnya 80 persen dan menyebut bahan penyimpan oksigen di lapisan katalis yang melebarkannya. Perhitungan lambda ada di Bab 4 tentang sistem bahan bakar dan pengendali mesin.

Kerja katalis dinilai dengan efisiensi konversi $\eta = (C_\text{masuk} - C_\text{keluar})/C_\text{masuk}$, dengan $C$ kadar gas sebelum dan sesudah katalis dalam satuan yang sama. Katalis rusak oleh panas berlebih dari salah bakar atau campuran kaya, yang dapat melelehkan atau menyumbatnya, dan diracuni oli atau cairan pendingin yang ikut terbakar. Lampu periksa mesin yang berkedip menunjuk salah bakar berat yang dapat merusak katalis, seperti di Bab 4 tentang sistem bahan bakar dan pengendali mesin.

Sensor oksigen hulu dan hilir

Sensor oksigen (oxygen sensor) adalah sensor di saluran buang yang memberi sinyal menurut kadar oksigen gas buang, sehingga pengendali mesin tahu apakah campuran kaya atau ramping. Sensor zirkonia dua keadaan memberi sekitar 0,1 V saat ramping dan sekitar 0,9 V saat kaya; sensor pita lebar memberi sinyal yang sebanding dengan lambda; keduanya dipanaskan elemen listrik agar cepat bekerja.

Sensor hulu, sebelum katalis, dipakai untuk kendali campuran umpan balik seperti di Bab 4 tentang pengendali mesin. Pada sistem lama sebelum OBD-II, lampu dapat berkedip untuk menunjukkan mode kendali tertutup atau terbuka, dan lampu yang hampir selalu menyala menunjukkan gas buang kaya; kode sistem lama itu khas satu pabrik dan tidak dipakai di sini. Sensor hilir, setelah katalis, memantau katalis. Katalis sehat menyimpan dan melepas oksigen sehingga meredam ayunan, dan sinyal hilir relatif datar; katalis yang lemah membuat sinyal hilir ikut berayun seperti sinyal hulu (Contoh 2). Kemampuan menyimpan oksigen itu dipakai untuk menilai efisiensi katalis dengan membuat campuran bergantian kaya dan ramping.

Sebuah laporan lapangan menyebut pembaca OBD menunjukkan efisiensi katalis di bawah ambang, dan pemilik diberi tahu katalisnya perlu diganti. Laporan itu hanya contoh gejala. Sebelum mengganti katalis, yang diperiksa lebih dulu adalah salah bakar, kebocoran saluran buang sebelum sensor hulu, sensor yang lambat, dan campuran yang menyimpang.

Resirkulasi gas buang dan penyaring partikel diesel

Resirkulasi gas buang (exhaust gas recirculation, EGR) adalah pengembalian sebagian gas buang ke saluran isap untuk menurunkan suhu nyala puncak sehingga NOx berkurang. Derau pada radio dapat dihasilkan sakelar vakum tinggi di rakitan EGR, tanda bahwa EGR lama digerakkan vakum; EGR modern umumnya digerakkan listrik dan dipantau pengendali. Katup EGR yang macet terbuka membuat putaran diam kasar, dan saluran yang tersumbat jelaga menaikkan NOx dan memicu kode.

Penyaring partikel diesel (diesel particulate filter, DPF) adalah penyaring keramik di saluran buang diesel yang menahan jelaga. Regenerasi (regeneration) adalah pembakaran jelaga yang tertahan di penyaring partikel, secara pasif oleh panas gas buang saat perjalanan jauh atau secara aktif ketika pengendali menaikkan suhu gas buang. Perjalanan pendek berulang, seperti antar-jemput staf di dalam kota, membuat penyaring cepat penuh karena regenerasi tidak sempat selesai; peringatan penyaring penuh ditangani menurut manual. Jelaga karena udara kurang dibahas di Bab 3 tentang mesin pembakaran dalam.

Sebagian mesin diesel memakai reduksi katalitik selektif dengan larutan urea untuk menurunkan NOx; apakah teknologi itu diwajibkan untuk kendaraan baru di Indonesia belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026. Melepas atau melompati EGR, katalis, atau penyaring partikel menaikkan emisi dan dapat membuat kendaraan gagal uji.

OBD-II: lampu, kode, mode, dan bingkai beku

OBD-II (on-board diagnostics II) adalah sistem diagnosis di dalam kendaraan yang memantau komponen dan fungsi yang memengaruhi emisi, menyimpan kode galat, dan menyediakan data lewat soket diagnosis baku. Lampu periksa mesin (malfunction indicator lamp, MIL) adalah lampu di panel instrumen yang dinyalakan pengendali mesin ketika ditemukan gangguan yang memengaruhi emisi atau kerja mesin. Format kode P, C, B, dan U serta status aktif, tertunda, dan riwayat sudah dijelaskan di Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik.

Mode diagnosis OBD-II didefinisikan standar SAE J1979. Mode yang lazim:

Menurut manual sebuah alat pindai, angka setelah huruf P membedakan kode umum dan khusus pabrik: P0 dan P2 umum, P1 khusus pabrik; rincian kelompok P3 belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026. Pada kode P0, angka kedua menunjuk subsistem: 1 dan 2 pengukuran bahan bakar dan udara, 3 pengapian dan salah bakar, 4 kendali emisi tambahan seperti katalis, EGR, dan penguapan, 5 putaran dan putaran diam, 6 pengendali dan sirkuit keluaran, 7 dan 8 transmisi. Kode menunjuk fungsi yang gagal diperiksa, bukan komponen yang harus diganti.

Data bingkai beku (freeze frame data) adalah potret nilai sensor dan keadaan mesin yang disimpan pengendali pada saat kode galat emisi tercatat. Sebagian kendaraan menyimpan bingkai untuk beberapa kode dan sebagian hanya yang terakhir, dan pembaca kode sederhana tidak selalu menampilkannya. Bingkai beku menjawab pertanyaan "dalam kondisi apa": suhu mesin, putaran, beban, kecepatan, dan koreksi bahan bakar saat gangguan terjadi. Pada kasus pembuka, bingkai itu hilang ketika kode dihapus.

Monitor kesiapan dan akibat menghapus kode

Monitor kesiapan (readiness monitor) adalah uji diri pengendali mesin terhadap satu sistem emisi, seperti katalis, sensor oksigen dan pemanasnya, EGR, penguapan bahan bakar, salah bakar, sistem bahan bakar, atau komponen umum, yang berstatus siap setelah uji selesai dijalankan. Sebagian monitor berjalan terus, sedangkan monitor katalis dan penguapan hanya berjalan pada kondisi berkendara tertentu. Menghapus kode lewat mode 04 atau melepas aki, seperti di Bab 19 tentang kelistrikan 12 volt mobil, mengatur ulang monitor menjadi belum siap.

Kode perlu dihapus setelah perbaikan dilakukan, yaitu setelah, bukan sebelum, dan Bab 10 tentang diagnosis kendaraan listrik sudah melarang menghapus kode sebelum dicatat. Akibat tambahannya pada uji emisi: di program inspeksi Amerika Serikat, uji colok OBD menggantikan uji knalpot hanya bila monitor yang diwajibkan sudah siap. Itu aturan Amerika Serikat; apakah uji di Indonesia memeriksa OBD belum dapat dipastikan dari sumber resmi per 18 Oktober 2026. Pada uji knalpot, menghapus kode tidak menurunkan CO dan HC sedikit pun, dan lampu menyala lagi setelah monitor berjalan.

Uji emisi di Indonesia

Uji emisi kendaraan yang sudah beroperasi diatur Peraturan Menteri LHK Nomor 8 Tahun 2023 tentang Penerapan Baku Mutu Emisi Kendaraan Bermotor Kategori M, N, O, dan L, yang ditetapkan 4 Agustus 2023 dan diundangkan 14 Agustus 2023. Peraturan itu mencabut Peraturan Menteri Negara LH Nomor 05 Tahun 2006, berlaku di seluruh Indonesia, dan pengujiannya dilakukan unit pelaksana uji berkala dan unit pelaksana uji emisi.

Menurut pemberitaan, parameter uji kendaraan bensin adalah CO dan HC dan kendaraan diesel opasitas asap, dengan batas kategori M bensin pada uji putaran diam:

Angka tabel ini belum dicocokkan dengan lampiran resmi; batas diesel, kategori N, dan batas tahun persisnya dicek di lampiran peraturan sebelum dipakai. Satu persen volume sama dengan 10.000 ppm.

Menurut dua pemberitaan, kendaraan tipe baru diatur terpisah dengan standar setara Euro 4 melalui Peraturan Menteri LHK Nomor P.20/MENLHK/SETJEN/KUM.1/3/2017, yang berlaku untuk kendaraan bensin sekitar September 2018, 18 bulan setelah terbit.

Untuk diesel, pemberitaan menyebut semula empat tahun setelah terbit, lalu ditunda ke April 2022 karena pandemi; media menyebut tanggal berbeda, 1 April dan 7 April 2022, sehingga tanggal persisnya belum dapat dipastikan. Pemberitaan lain menyebut keterlambatan karena ketersediaan bahan bakar yang memenuhi syarat. Bagi armada, aturan tipe baru mengikat pabrik saat kendaraan dijual, sedangkan uji berkala mengikat pemilik selama kendaraan dipakai.

Diagnosis yang aman di bengkel kecil

Gas buang di ruang tertutup adalah bahaya utama di bengkel kecil dan garasi armada. Karbon monoksida tidak berbau, dan kadarnya dapat ditaksir dengan keadaan tunak di Bab 11 · Kimia tentang gas berbahaya dan ventilasi; garasi tanpa ventilasi dan lubang servis di bawah mobil dapat menjadi ruang terbatas seperti di Bab 11 · Keselamatan tentang ruang terbatas. Aturan dasar:

1. Mesin hanya dihidupkan di luar, atau dengan selang buang yang dialirkan ke luar dan ventilasi berjalan; pakai detektor CO bila tersedia.
2. Kendaraan diganjal, rem parkir ditarik, transmisi di posisi parkir atau netral, dan tangan dijauhkan dari kipas dan sabuk.
3. Saluran buang dan katalis sangat panas setelah mesin berjalan; mobil tidak diparkir di atas rumput kering, karung linen, atau kardus.
4. Konektor sensor tidak dilepas dan dipasang saat kunci menyala.

Urutan diagnosis: baca dan catat semua kode, kode tertunda, bingkai beku, dan status monitor; periksa dasar seperti kebocoran vakum, salah bakar, dan kebocoran buang; perbaiki penyebab; hapus kode; jalankan pola berkendara sampai monitor siap; lalu periksa ulang kode dan, bila ada alat, gas buangnya. Pada kasus pembuka, salah bakar diperbaiki lebih dulu, lalu kode katalis dinilai ulang setelah monitor siap (Contoh 3).

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: campuran kaya dan karbon monoksida. Bila hanya tersedia 23 mol O₂ alih-alih 25, yaitu lambda $23/25 = 0{,}92$, salah satu pembagian yang memenuhi neraca adalah $\mathrm{2C_8H_{18}+23O_2\longrightarrow 12CO_2+4CO+18H_2O}$ (model sederhana; pembakaran nyata juga menghasilkan hidrogen). Seperempat karbon menjadi CO. Dengan 3,76 mol nitrogen per mol oksigen udara, gas buang keringnya $12 + 4 + 86{,}5 = 102{,}5$ mol, sehingga CO sekitar 3,9 persen. Katalis tidak dapat mengoksidasinya karena oksigen kurang, dan hasilnya jauh di atas batas 1 atau 0,5 persen dalam tabel pemberitaan.

Contoh 2: sensor hulu dan hilir. Pada putaran diam stabil, sensor hulu berpindah antara ramping dan kaya 10 kali dalam 10 detik, sejalan dengan ayunan sekitar 1 Hz di bagian jendela lambda. Pada katalis sehat, sensor hilir berpindah 1 kali, rasio 0,1. Pada mobil boks di kasus pembuka, sensor hilir berpindah 8 kali, rasio 0,8: katalis hampir tidak menyimpan oksigen. Ambang kodenya khas pabrik.

Contoh 3: membaca dua kode. P0303: P penggerak, 0 kode umum, 3 pengapian dan salah bakar, 03 silinder 3. P0420: 4 kendali emisi tambahan, 20 efisiensi katalis bank 1 di bawah ambang. Salah bakar mengirim campuran yang tidak terbakar ke katalis, menaikkan HC dan suhu katalis, jadi P0303 ditangani lebih dulu, misalnya koil atau busi silinder 3, dan P0420 dinilai lagi setelah monitor katalis selesai.

Contoh 4: jadwal sebelum uji. Misalkan manual menyebut monitor katalis memerlukan perjalanan dengan mesin panas dan sedikitnya 10 menit pada kecepatan tetap. Rute mobil boks rata-rata 8 menit dengan banyak berhenti, jadi antara Selasa dan Jumat tidak ada satu perjalanan pun yang memenuhi syarat. Jadwal yang benar: perbaikan dan penghapusan kode sedikitnya 7 hari sebelum uji, dua perjalanan yang memenuhi pola, lalu periksa status monitor dan kode.

Contoh 5: membaca hasil uji. Mobil boks buatan 2015 masuk kelompok 2007 sampai 2018 dalam tabel pemberitaan: CO paling tinggi 1 persen dan HC 150 ppm. Hasil uji pertama CO 1,8 persen (18.000 ppm) dan HC 220 ppm, keduanya gagal. Setelah salah bakar diperbaiki, CO 0,3 persen dan HC 60 ppm, lulus. Bila mobil itu buatan 2019, batasnya 0,5 persen dan 100 ppm, dan batas resmi tetap dicek di lampiran peraturan.

Contoh 6: karbon monoksida di bengkel. Mesin diam mengeluarkan sekitar 20 m³/jam gas buang dengan CO 0,5 persen, jadi $G = 20 \times 0{,}005 = 0{,}1$ m³/jam CO. Dengan ventilasi 200 m³/jam, kadar tunaknya $C = G/Q = 0{,}1/200 = 5 \times 10^{-4}$, yaitu 500 ppm atau $500 \times 28{,}01/24{,}0 = 584$ mg/m³, seperti rumus Bab 11 · Kimia tentang gas berbahaya dan ventilasi. Selang buang yang menangkap 95 persen gas menurunkannya ke 25 ppm. Di garasi tertutup 150 m³ tanpa ventilasi, kadar rata-rata naik sekitar 670 ppm per jam, atau 111 ppm dalam 10 menit, dan lebih tinggi di dekat knalpot.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan atau pemakaian dan serahkan kepada bengkel berwenang bila:

1. Lampu periksa mesin berkedip atau mesin bergetar berat; kurangi beban dan berhenti dengan aman, seperti di Bab 4 tentang sistem bahan bakar dan pengendali mesin.
2. Bau gas buang tercium di kabin atau di ruang kerja, atau orang di sekitar pusing dan sakit kepala; matikan mesin, keluar ke udara terbuka, dan buka ventilasi.
3. Katalis atau saluran buang membara, berbau terbakar, atau berbunyi gemeretak.
4. Peringatan penyaring partikel penuh tidak hilang setelah prosedur manual, atau keluar asap hitam tebal.
5. Pekerjaan meminta melepas, melompati, atau memprogram ulang komponen emisi atau pengendali.
6. Ada kebocoran bahan bakar di dekat saluran buang yang panas.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 3 dan Bab 4 memberi campuran stoikiometrik, lambda, dan sensor mesin, Bab 10 format kode galat, Bab 7 · Kimia dan Bab 13 · Kimia stoikiometri dan katalis, Bab 11 · Kimia dan Bab 11 · Keselamatan bahaya gas di ruang tertutup, dan Bab 19 akibat melepas aki pada memori pengendali. Bab 20 membahas pendinginan dan pelumasan, dan Bab 22 arsitektur kendaraan hibrida dan listrik.

Latihan dan pembahasan

Referensi