Mata Kuliah Mesin konversi Energi oleh R. Bapak Bagus Suryasa ST MT
Universitas Islam 45 Bekasi

Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.

siklus ideal

  • Siklus yang digunakan utk memudahkan analisa motor bakar.
  • Siklus yg jauh menyimpang dari kondisi aktual
  • Pada umumnya digunakan SIKLUS UDARA

Siklus Udara tdd :
Siklus Udara Volume – Konstan (SIKLUS OTTO)
Siklus Udara Tekanan – Konstan (SIKLUS DIESEL)
Siklus Udara Tekanan – Terbatas (SIKLUS GABUNGAN)

download materi

–SIKLUS DIESEL
–Motor bakar
–Siklus Otto dan Diesel

siklus udara volume konstan

PROSES SIKLUS

0-1 : Pemasukan BB pd P konstan
1-2 : Kompresi Isentropis
2-3 : Pemasukan kalor pd V konstan
3-4 : Ekspansi Isentropis
4-1 : Pembuangan kalor pd V konstan
1-0 : Pembuangan gas buang pd P konstan


siklus tekanan konstan

PROSES SIKLUS
0-1 : Pemasukan BB pd P konstan
1-2 : Kompresi Isentropis
2-3 : Pemasukan kalor pd P konstan
3-4 : Ekspansi Isentropis
4-1 : Pembuangan kalor pd V konstan
1-0 : Pembuangan gas buang pd P konstan

siklus gabungan

proses siklus:
0-1 : Pemasukan BB pd P konstan
1-2 : Kompresi Isentropis
2-3a : Pemasukan kalor pd V konstan
3a-3 : Pemasukan Kalor pd P konstan
3-4 : Ekspansi Isentropis
4-1 : Pembuangan kalor pd V konstan
1-0 : Pembuangan gas buang pd P konstan

 Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 buah proses thermodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs temperatur (V) berikut:

otto2

Proses yang terjadi adalah :
1-2 : Kompresi adiabatis
2-3 : Pembakaran isokhorik
3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis
4-1 : Langkah buang isokhorik

  1. Siklus Termodinamika

Konversi energi yang terjadi pada motor bakar torak berdasarkan pada siklus termodinamika. Proses sebenarnya amat komplek, sehingga analisa dilakukan pada kondisi ideal dengan fluida kerja udara.

Idealisasi proses tersebut sebagai berikut:

  1. Fluida kerja dari awal proses hingga akhir proses.
  2. Panas jenis dianggap konstan meskipun terjadi perubahan temperatur pada udara.
  3. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara adiabatik, tidak terjadi perpindahan panas antara gas dan dinding silinder.
  4. Sifat-sifat kimia fluida kerja tidak berubah selama siklus berlangsung.
  5. Motor 2 (dua) langkah mempunyai siklus termodinamika yang sama dengan motor 4 (empat) langkah.

diagram pv

Gambar 2. 1. Diagram P-V dan T-S siklus otto

(Cengel & Boles, 1994 : 451)

  1. Siklus Otto (Siklus udara volume konstan)

Pada siklus otto atau siklus volume konstan proses pembakaran terjadi pada volume konstan, sedangkan siklus otto tersebu ada yang berlangsung dengan 4 (empat) langkah atau 2 (dua) langkah. Untuk mesin 4 (empat) langkah siklus kerja terjadi dengan 4 (empat) langkah piston atau 2 (dua) poros engkol. Adapun langkah dalam siklus otto yaitu gerakan piston dari titik puncak (TMA=titik mati atas) ke posisi bawah (TMB=titik mati bawah) dalam silinder.

diagram pv siklus ottoGambar 2. 2. Diagram P-V dan T-S siklus otto

(Cengel & Boles, 1994 : 458)

Proses siklus otto sebagai berikut :

Proses 1-2 : proses kompresi isentropic (adiabatic reversible) dimana piston bergerak menuju (TMA=titik mati atas) mengkompresikan udara sampai volume clearance sehingga tekanan dan temperatur udara naik.

Proses 2-3 :  pemasukan kalor konstan, piston sesaat pada (TMA=titik mati atas) bersamaan kalor suplai dari sekelilingnya serta tekanan dan temperatur meningkat hingga nilai maksimum dalam siklus.

Proses 3-4 : proses isentropik udara panas dengan tekanan tinggi mendorong piston turun menuju (TMB=titik mati bawah), energi dilepaskan disekeliling berupa internal energi.

Proses 4-1 : proses pelepasan kalor pada volume konstan piston sesaat pada (TMB=titik mati bawah) dengan mentransfer kalor ke sekeliling dan kembali mlangkah pada titik awal.

Beberapa rumus yang digunakan untuk menganalisa sebuah siklus Otto adalah sebagai berikut :

1. Proses Kompresi Adiabatis

T2/T1 = r^(k-1);  p2/p1 = r^k

 2. Proses Pembakaran Isokhorik

T3 = T2 + (f x Q / Cv) ;   p3 = p2 ( T3 / T2)

 

3. Proses Ekspansi / Langkah Kerja

T4/T3 = r^(1-k) ;   p4/p3 = r^(-k)

 4. Kerja Siklus

W = Cv [(T3 – T2) – (T4 – T1)] 

 5. Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure)

pme = W / (V1 – V2)

 

6. Daya Indikasi Motor

Pe = pme . n . i . (V1-V2) . z

 Dimana parameter – parameternya adalah :

p = Tekanan gas (Kg/m^3)

T = Temperatur gas (K; Kelvin)

V = Volume gas (m^3)

r = Rasio kompresi (V1 – V2)

Cv = Panas jenis gas pada volume tetap ( kj/kg K) 

k = Rasio panas jenis gas (Cp/Cv)

f = Rasio bahan bakar / udara

Q = Nilai panas bahan bakar (kj/kg)

W = Kerja (Joule)

n = Putaran mesin per detik (rps)

i = Index pengali;  i=1 untuk 2 tak dan i=0.5 untuk 4 tak

z = Jumlah silinder

P = Daya ( Watt )

 Siklus Otto


Ini adalah gambar mesin pembakaran dalam empat langkah alias empat tak… Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi alias penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan 
campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan).Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah diulangi.

Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga… Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika si busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas… Panas timbul akibat adanya gesekan.

Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di bawah… (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin)

Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder (a). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin ditekan secara adiabatik (a-b). Perhatikan bahwa volume silinder berkurang… Campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan – campuran dibakar (b-c). Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d). Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder (d-a).

Siklus Diesel

Prinsip kerja mesin diesel mirip seperti mesin bensin. Perbedaannya terletak pada langkah awal kompresi alias penekanan adiabatik (penekanan adiabatik = penekanan yang dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor alias panas tidak sempat mengalir menuju atau keluar dari sistem. Sistem untuk kasus ini adalah silinder). Kalau dalam mesin bensin, yang ditekan adalah campuran udara dan uap bensin, maka dalam mesin diesel yang ditekan hanya udara saja… Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, si solar langsung terbakar… Tidak perlu pake busi lagi. Perhatikan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram di bawah… bandingkan dengan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram siklus otto

Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal alias sempurna… Mula-mula udara ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik alias injector menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (d-a). Selengkapnya bisa dipelajari di dunia perteknik-otomotifan.Gurumuda hanya memberimu pengetahuan dasar saja.

Dari penjelasan yang bertele-tele di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja untuk mesin bensin adalah udara dan uap bensin, zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (QL). Karena si energi kekal, maka QH = W + QL.

SIKLUS GABUNGAN

            Siklus gabungan ialah dimana adanya persamaan antara siklus motor bensin dengan siklus motor diesel di dalam proses pembakaran di dalam silinder ,dapat kita lihat dibawah ini.

proses siklus:

0-1 : Pemasukan BB pd P konstan
1-2 : Kompresi Isentropis
2-3a : Pemasukan kalor pd V konstan
3a-3 : Pemasukan Kalor pd P konstan
3-4 : Ekspansi Isentropis
4-1 : Pembuangan kalor pd V konstan
1-0 : Pembuangan gas buang pd P konstan

1. SIKLUS MOTOR BENSIN

Siklus Otto merupakan siklus motor bakar yang banyak digunakan untuk motor bakar dengan bahan bakar bensin, ditunjukkan pada gambar 2–12. Ada beberapa proses yang berlangsung pada siklus Otto ini seperti pada gambar diatas yaitu:

  1. Proses 0 – 1 yaitu pembukaan katup isap dan pengisapan campuran udara bahan bakar ke dalam silinder.
  2. Proses 1 – 2 yaitu proses kompresi yang berlangsung secara isentropic (adiabatic reversible) dimana seluruh katup isap dan katup buang dalam keadaan tertutup. Udara dan bahan bakar dimampatkan, dimana temperature dan tekanan pada tingkat 2 lebih tinggi dari tingkat 1.
  3. Proses 2 – 3  yaitu proses pembakaran yang berlangsung secara isovolumetrik (volume konstan).  Pada proses ini terjadi pengapian campuran bahan bakar dan udara oleh busi. Kalor dipindahkan ke system yang mengakibatkan peningkatan temperature, tekanan dan entropi. Jumlah perpindahan kalor ke system adalah:

         Q2-3 = m . cv . (T3 – T2)   …………………………………………………….              2.3.

Dimana :    m      : massa (kg)

                  cv        : Kalor spesifik volume konstan (J/kg-mol K)

                  T       : Temperatur.

  1. Proses 3 – 4 yaitu proses ekspansi yang berlangsung secara isentropic.  Dimana gas hasil pembakaran berekspansi secara isentropic dan juga disebut langkah kerja dimana tekanan dan temperature akan menurun.  Hingga akhir proses ekspansi, katup isap dan buang tetap tertutup.Karakteristik motor 4 tak :
    1. Bahan bakarnya hemat.
    2. Gas bekasnya lebih bersih (emisinya rendah).
    3. Kontrusinya rumit, karena adanya klep, sehingga harganya mahal dan perawatannya sulit.
    Karakteristik motor 2 tak :
    1. Bahan bakarnya boros.
    2. Gas bekasnya kotor (emisinya tinggi).
    3. Konstruksinya sederhana, sehingga harganya murah dan perawatannya mudah.

semoga bermanfaat.