MOTOR BAKARKuliah I

Pendahuluan

Mesin Kalor :

Mesin Pembakaran Luar

-Mesin uap

Mesin Pembakaran Dalam

-Motor Bakar Torak

Macam bahan bakar yang bisa digunakan lebih banyak

Mesin uap lebih bebas getaran

Turbin uap lebih praktis untuk daya tinggi, misal > 2000 PS

Mesin lebih sederhana, kompak, ringan

Temperatur seluruh bagian mesin lebih rendah

Lebih efisien untuk transportasi

Motor Bakar

Bahan Bakar

DayaMotor Bakar

• Automobiles• Power Generation• Submarines• Diesel Locomotive

Energi Kimia Energi Panas Power

Motor Bakar

• Motor bakar 4 langkah (four strokes engine)Setiap satu siklus kerja memerlukan 4 kali langkah kerja, 2 putaran poros engkol

1. Langkah hisap

- Torak dari TMA TMB

- Katup isap (KI) terbuka

- Katup buang (KB) tertutup

- Campuran bahan bakar dan udara masuk

2. Langkah kompresi

- Torak dari TMB TMA

- KI dan KB tertutup

- Tekanan dan Temperatur naik akibat kompresi

4. Langkah buang- Torak dari TMB TMA- KI tertutup- KB terbuka- Gas hasil pembakaran keluar

3. Langkah Ekspansi

- Sebelum torak mencapai

TMA busi menyala dan terjadi pembakaran.

- Terjadi langkah kerja torak

dari TMA TMB

- KI dan KB tertutup

Motor bakar 2 langkah (two strokes engine)Setiap satu siklus kerja memerlukan 2 kali langkah kerja, 1 kali putaran poros engkol.

Motor bakar 2 langkah tidak mempunyai katup isap maupun katup buang, dan digantikan oleh dua lubang yaitu lubang buang dan lubang isap.

Siklus Ideal Motor Bakar

Jenis Motor Bakar :

Motor Bensin (Spark Ignition Engine)

Motor Diesel (Compression Ignition Engine)

Siklus Udara pada Motor Bakar :

Siklus udara volume-konstan (siklus Otto)

Siklus udara tekanan-konstan (siklus Diesel)

Siklus udara tekanan terbatas (siklus Gabungan)

Siklus Ideal Otto

1. Fluida kerja dianggap gas ideal

2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses

tekanan konstan.

3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan

proses isentropik

4. Proses pembakanan pada volume konstan

(2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.

5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses

isentropik

6. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap

sebagai proses pengeluaran kalor pada

volume konstan.

7. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada

tekanan konstan

0

Thermal Efficiency of the Otto cycle:

th net

in

net

in

in out

in

out

in

W

Q

Q

Q

Q Q

Q

Q

Q

1

Now to find Qin and Qout.

Apply first law closed system to process 2-3, V = constant.

Thus, for constant specific heats,

Q U

Q Q mC T T

net

net in v

,

, ( )

23 23

23 3 2

Apply first law closed system to process 4-1, V = constant.

Thus, for constant specific heats,

Q U

Q Q mC T T

Q mC T T mC T T

net

net out v

out v v

,

, ( )

( ) ( )

41 41

41 1 4

1 4 4 1

The thermal efficiency becomes

th Otto out

in

v

v

Q

Q

mC T T

mC T T

,

( )

( )

1

1 4 1

3 2

th OttoT T

T T

T T T

T T T

,

( )

( )

( / )

( / )

1

11

1

4 1

3 2

1 4 1

2 3 2

Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so

Since V3 = V2 and V4 = V1, we see that

T

T

T

T

or

T

T

T

T

2

1

3

4

4

1

3

2

The Otto cycle efficiency becomes

th OttoT

T, 1 1

2

Is this the same as the Carnot cycle efficiency? Since process 1-2 is isentropic,

where the compression ratio is r = V1/V2 and

th Otto kr, 11

1

13

We see that increasing the compression ratio increases the thermal efficiency. However, there is a limit on r depending upon the fuel. Fuels under high temperature resulting from high compression ratios will prematurely ignite, causing knock.

th Otto kr, 11

1

Siklus Ideal Diesel (Tekanan Konstan)

1. Fluida kerja dianggap gas ideal

2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses

tekanan konstan.

3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan

proses isentropik

4. Proses pembakanan pada tekanan konstan

(2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.

5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses

isentropik

6. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap

sebagai proses pengeluaran kalor pada

volume konstan.

7. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada

tekanan konstan

Qin

Qout

15

Thermal efficiency of the Diesel cycle

th Diesel net

in

out

in

W

Q

Q

Q, 1

Now to find Qin and Qout. Apply the first law closed system to process 2-3, P = constant.

Thus, for constant specific heats

Q U P V V

Q Q mC T T mR T T

Q mC T T

net

net in v

in p

,

,

( )

( ) ( )

( )

23 23 2 3 2

23 3 2 3 2

3 2

16

Apply the first law closed system to process 4-1, V = constant (just as we did for the Otto cycle)

Thus, for constant specific heats

Q U

Q Q mC T T

Q mC T T mC T T

net

net out v

out v v

,

, ( )

( ) ( )

41 41

41 1 4

1 4 4 1

The thermal efficiency becomes

th Diesel out

in

v

p

Q

Q

mC T T

mC T T

,

( )

( )

1

1 4 1

3 2

17

th Diesel v

p

C T T

C T T

k

T T T

T T T

,

( )

( )

( / )

( / )

1

11 1

1

4 1

3 2

1 4 1

2 3 2What is T3/T2 ?

PV

T

PV

TP P

T

T

V

Vrc

3 3

3

2 2

23 2

3

2

3

2

where

where rc is called the cutoff ratio, defined as V3 /V2, and is a measure of the duration of the heat addition at constant pressure. Since the fuel is injected directly into the cylinder, the cutoff ratio can be related to the number of degrees that the crank rotated during the fuel injection into the cylinder.

18

What is T4/T1 ?

PV

T

PV

TV V

T

T

P

P

4 4

4

1 1

14 1

4

1

4

1

where

Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so

PV PV PV PVk k k k1 1 2 2 4 4 3 3 and

Since V4 = V1 and P3 = P2, we divide the second equation by the first equation and obtain

19

th Diesel

ck

c

kck

c

k

T T T

T T T

k

T

T

r

r

r

r

k r

,

( / )

( / )

( )

( )

11 1

1

11 1

1

11 1

1

1 4 1

2 3 2

1

2

1

th Diesel th Otto, , r rDiesel Otto th Diesel th Otto, ,When rc > 1 for a fixed r, . But,

since , .

Therefore,

Siklus Tekanan Terbatas

1. Fluida kerja dianggap gas ideal

2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses

tekanan konstan.

3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan

proses isentropik

4. Proses pemasukan kalor pada volume

konstan (2 → 3).

5. Proses pemasukan kalor pada tekanan

konstan (3 → 3a)

6. Langkah kerja (3a → 4) merupakan proses

isentropik

7. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap

sebagai proses pengeluaran kalor pada

volume konstan.

8. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada

tekanan konstan

Proses 0-1 (langkah isap)Pada langkah ini udara mengisi silinder yang bertambah besar karena torak bergerak dari TMA → TMB, dalam hal ini seolah-olah udara melakukan kerja sebesar

W0-1 = P0 (V1 – V0) (positif, fluida melakukan kerja)

Proses 1-2 (langkah kompresi)Pada langkah kompresi dilakukan secara isentropik.Jadi Q = 0 dan ΔS = 0, sehingga kerja yang dilakukan

W1-2 = - ΔU = U1 – U2 = m Cv (T1 – T2) (negatif, fluida dikenai kerja)

Karena isentropik berlaku : 1

1

21

1

2

1

1

1

2

1

2 )(

k

k

kk

k

rV

V

P

P

T

T

udarajenisberat

sisavolumeV

toraklangkahvolumeV

V

VV

V

Vrdengan

s

L

s

sL

2

1

Proses 2-3 (pemasukan kalor pada volume konstan)Pemasukan kalor setelah torak mencapai TMA (titik 2)Fluida kerja tidak melakukan atau dikenai kerja, sehingga W2-3 = 0

Q2-3 = m Cv (T3 – T2) (positif, pemasukan kalor)

Proses 3-3a (pemasukan kalor pada tekanan konstan)Pemasukan kalor tekanan konstan berlangsung setelah Temperatur kerja mencapai T3.

Volume fluida kerja berubah dari V3 – V3a, sehingga fluida kerja melakukan kerja sebesar:W3-3a = P3 (V3 – V3a) = P3a (V3 – V3a) (positif, fluida melakukan kerja)

Sehingga jumlah pemasukan kalor Q3-3a = m Cv (T3a – T3) + W3-3a

= U3a – U3 + P3 (V3 – V3a) = (U3a+V3a) – (U3 + P3 V3) = H3a – H3 = m Cp (T3a – T3) (positif, pemasukan kalor)

Proses 3a-4 (langkah ekspansi atau langkah kerja) Pada langkah kerja berlangsung secara isentropik. Jadi Q = 0 dan ΔS = 0, sehingga kerja yang dilakukan

W3a-4 = ΔU = U3a – U4 = m Cv (T3a – T4) (positif, fluida melakukan kerja)

Karena isentropik berlaku :

Proses 4-1 (langkah pembuangan kalor)Proses ini dilakukan pada volume konstant. Torak telah mencapai TMB.Karena V4 = V1 , sehingga besar kerja 4-1, W4-1 = 0

Jumlah kalor yang dibuangQ4-1 = -ΔU = U1 – U4 = m Cv (T1 – T4) (negatif, pembuangan kalor)

1

3

4

1

4

3

1

3

4

3

4

k

a

k

ak

k

aa V

V

P

P

T

T

Proses 1-0 (langkah buang)Torak bergerak dari TMB → TMAFluida kerja dikenai kerja, sebesar : W1-0 = P0 (V1 – V0) (negatif, fluida kerja dikenai kerja)

Kerja yang dihasilkan oleh siklus tiap kg udara

w = (u3 – u2) + (h3a – h3) - (u1 – u4)

qmasuk qkeluar

Effisiensi siklus

11

111

11

1

1

)()(

)(1

1inputkalor

siklus kerja

1

2

3

3

3

2

3

3

3

2

3

2

3

1

4

2

1

3323

14

c

c

c

rk

r

r

maka

V

V

V

Vrdan

P

P

bila

T

T

T

Tk

T

T

TT

T

T

atau

TTcTTc

TTc

Q

Q

k

t

aa

a

t

apv

v

in

outt

Untuk jumlah pemasukan kalor sama dan perbandingan kompresi sama

ηvolume-konstan > ηtekanan-terbatas > ηtekanan-konstan

Untuk jumlah pemasukan kalor sama dan tekanan maksimum yang sama

ηtekanan-konstan > ηtekanan-terbatas > ηvolume-konstan