siklus mesin
DESCRIPTION
siklus mesinTRANSCRIPT
3. SIKLUS MESIN
3.1 Siklus Udara Standar
Untuk menganalisa siklus mesin yang mungkin adalah mendekati siklus riil dengan
siklus udara standar (ideal).
Pv = RT (a)
PV = mRT (b)
P = rRT (c)
dh = cp dT (d)
du = cv dT (e)
Pvk = proses isentropic konstan (f)
T v k-1 = proses isentropic konstan (g)
T P(1-k)/k = proses isentropic konstan (h)
W1-2 = (P2v2 – P1v1)/(1-k) sistem tertutup/ kerja isentropic (i)
= R(T2 – T1)/(1-k)
= (kRT) ½ kecepatan suara (j) (3-1)
dimana ;
P = tekanan gas dalam silinder
V = volume dalam silinder
Modul Motor Bakar (TP 308) 49
v = volume spesifik gas
R = konstanta gas dari udara
T = temperatur/suhu
m = massa gas dalam silinder
r = densiti
h = entalpi spesifik
u = energi dalam spesifik
cp,cv = panas spesifik
k = cp / cv
w = kerja spesifik
Berikut variabel yang digunakan dalam bab ini untuk menganalisa siklus :
AF = perbandingan udara ~bahan bakar
m = laju aliran massa
q = laju perpindahan panas per unit massa
Q = laju perpindahan panas
QHV = nilai kalor bahan bakar
rc = perbandingan kompresi
Modul Motor Bakar (TP 308) 50
W = kerja
hc = efisiensi pembakaran
Tabel A-1 berikut akan dipergunakan untuk mencari sifat-sifat udara
Saat menganalisa hal-hal yang terjadi dalam mesin selama operasi siklus, kita akan
menggunakan nilai-nilai sifat udara sebagai berikut :
Cp = 1,108 kJ/kg-K = 0,265 BTU/lbm-o
R
Cv = 0,821 kJ/kg-K = 0,196 BTU/lbm-oR
Modul Motor Bakar (TP 308) 51
k = cp/cv = 1,108/0,821 = 1,35
R = cp – cv = 0,287 kJ/kg-K
= 0,067 BTU/lbm- oR = 53,33 ft-lbf/lbm- oR
Untuk kondisi k = 1,4 :
Cp = 1,005 kJ/kg-K = 0,240 BTU/lbm-oR
Cv = 0,718 kJ/kg-K = 0,172 BTU/lbm-oR
k = cp/cv = 1,005/0,718 = 1,35
R = cp – cv = 0,287 kJ/kg-K
3.2 Siklus Otto
Modul Motor Bakar (TP 308) 52
Gb. 3-1. Diagram P-V siklus Otto
Gb. 3-2 Diagram siklus Otto
Analisa termodinamika dari siklus Otto udara standar pada WOT :
Proses 6 – 1 :
Langkah pemasukan pada tekanan konstan, pada Po. Katup masuk terbuka dan katup
buang tertutup.
P1 = P6 = Po (3-2)
W 6-1 = Po(v1 – v6) (3-3)
Proses 1 - 2 :
Langkah kompresi pada isentropik. Kedua katup tertutup.
T1 = T1(v1/v2)k-1 = T1(V1/V2)k-1 = T1(rc)k-1 (3-4)
Modul Motor Bakar (TP 308) 53
P2 = P1(v1/v2)k = P1(V1/V2)k = P1(rc)k- (3-5)
q1-2 = 0 (3-6)
w1-2 = (P2v2 – P1v1)/(1-k) = R(T2 – T1)/(1-k) (3-7)
w1-2 = (u1 – u2) = cv(T2 – T1)
Proses 2 - 3 :
Proses pembakaran. Panas dimasukan pada volume konstan, Kedua katup tertutup.
v3 = v2 = vTDC (3-8)
w2-3 = 0 (3-9)
Q2-3 = Qin = mfQHVhc = mmcv (T3 – T2)= (ma + mf)cv (T3 – T2) (3-10)
QHVhc= (AF + 1)cv (T3 – T2) (3-11)
q2-3 = qin = cv (T3 – T2) = (u3 – u2) (3-12)
T3 = Tmax (3-13)
P3 = Pmax (3-14)
Proses 3 - 4 :
Langkah ekspansi atau tenaga, pada isentropik. Kedua katup tertutup.
Q3-4 = 0 (3-15)
Modul Motor Bakar (TP 308) 54
T4 = T3(v3/v4)k-1 = T3(V3/V4)k-1 = T3(1/rc)k-1 (3-16)
P4 = P3(v3/v4)k = P3(V3/V4)k = P3(1/rc)k (3-17)
w3-4 = (P4v4 – P3v3)/(1-k) = R(T4 – T3)/(1-k)
= (u3 – u4) = cv(T3 – T4) (3-18)
Proses 4 - 5 :
Proses pembilasan/pembuangan. Panas dibuang pada volume konstan, Katup masuk
tertutup dan katup buang terbuka.
V5 = v4 = v1 = vBDC (3-19)
w4 -5 = 0 (3-20)
Q4-5 = Qout = mmcv (T5 – T4) = mmcv (T1 – T4) (3-21)
Q4-3 = qout = cv (T5 – T4) = (u5 – u4) = cv(T1 – T4) (3-22)
Proses 5 - 6 :
Langkah buang pada tekanan konstan Po. Katup masuk tertutup dan katup buang terbuka.
P5 = P6 = Po
(3-23)
W5 -6 = P6(v6 –v5) = P6(v6 –v1) (3-24)
Efisiensi therm
al dari siklus Otto :
(ηt) Otto = wnet / qin = 1 – (qout/qin)
Modul Motor Bakar (TP 308) 55
= 1 – cv(T4 – T1)/cv(T3 – T2)
= 1 – (T4 – T1)/(T3 – T2) (3-25)
Ternyata untuk menghitung efisiensi thermal hanya diperlukan nilai temperatur, sehingga
untuk menyederhanakan persamaan hubungan gas ideal untuk proses isentropik, kompresi,
dan ekspansi dan bahwa diketahui v1 = v4 dan v2 = v3 ;
(T2 / T1) = (v1 / v2)k—1 = (v4 / v3)k—1 = (T3 / T4) (3-26)
T4 / T1 = T3 / T2
(3-27)
(ηt) Otto = 1 – (T1 / T2) [{ (T4 / T1) – 1 ]/[ (T3 / T2) - 1}] (3-28)
(ηt) Otto = 1 – (T1 / T2)
(3-29)
(ηt) Otto = 1 –[ 1/(v1 / v2)k—1] (3-30)
Dengan v1 / v2 = rc (perbandingan kompresi), maka ;
(ηt) Otto = 1 –[ 1/ rc) k—1 (3-31)
Modul Motor Bakar (TP 308) 56
Gb. 3-3 Hubungan efisiensi thermal indikasi dengan perbandingan kompresi
Contoh soal :
3-1. Sebuah mesin mobil dengan siklus Otto 4 tak, 4 silinder 2,5 liter dioperasikan pada
WOT 3000 RPM. Mesin mempunyai pebandingan kompresi 8,6 :1, efisiensi mesin
86%, dan perbandingan langkah/bor S/B = 1,025. Bahan bakar isooctane dengan
AF = 15, nilai kalor 44.300 J/kg, dan efisiensi pembakaran hc = 100%. Pada awal
langkah kompresi, kondisi dalam silinder ruang bakar 100 kPa dan 60oC. Dalam hal
ini dapat diasumsikan bahawa ada 4% gas residu yang tertinggal dari setiap siklus.
Lakukan analisa termodinamika pada mesin ini.
3.3 Siklus Diesel
Gb. 3-4 Diagram indikator operasi mesin CI
Modul Motor Bakar (TP 308) 57
Gb. 3-5 Diagram siklus udara standar diesel
Analisa termodinamika siklus udara standar diesel ;
Proses 6-1 :
Langkah pemasukan pada tekanan konstan, pada Po.
Katup masuk terbuka dan katup buang tertutup.
W 6-1 = Po(v1 – v6) (3-32)
Proses 1 - 2 :
Langkah kompresi isentropik. Kedua katup tertutup.
T2 = T1(v1/v2)k-1 = T1(V1/V2)k-1 = T1(rc)k-1 (3-33)
P2 = P1(v1/v2)k = P1(V1/V2)k = P1(rc)k (3-34)
Modul Motor Bakar (TP 308) 58
V2 = vTDC
(3-35)
q1-2 = 0 (3-36)
w1-2 = (P2v2 – P1v1)/(1-k) = R(T2 – T1)/(1-k)
= (u1 – u2) = cv(T2 – T1) (3-37)
Proses 2 - 3 :
Proses pembakaran. Kalor dimasukan pada tekanan konstan, Kedua katup tertutup.
Q2-3 = Qin = mfQHVhc = mmcp (T3 – T2) = (ma + mf)cp(T3 – T2) (3-38)
QHVhc= (AF + 1)cp(T3 – T2) (3-39)
Q 2-3 = qin =cp (T3 – T2) = (h3 – h2) (3-40)
w2-3 = q2-3 - (u3 – u2) = P2(v3 – v2) (3-41)
T3 = Tmax (3-42)
Cutoff ratio didefinisikan sebagai perubahan volume yang terjadi selama pembakaran
diberikan sebagai :
β = V3/V2 = v3/v2 = T3/T2 (3-43)
Proses 3 - 4 :
Langkah ekspansi atau tenaga isentropik. Kedua katup tertutup.
q3-4 = 0 (3-44)
Modul Motor Bakar (TP 308) 59
T4 = T3(v3/v4)k-1 = T3(V3/V4)k-1 = T3(1/rc)k-1 (3-45)
P4 = P3(v3/v4)k = P3(V3/V4)k = P3(1/rc)k (3-46)
w3-4 = (P4v4 – P3v3)/(1-k)= R(T4 – T3)/(1-k) = (u3 – u4) = cv(T3 – T4) (3-47)
Proses 4 - 5 :
Proses pembilasan/pembuangan. Kalor dibuang pada volume konstan, Katup masuk
tertutup dan katup buang terbuka.
V5 = v4 = v1 = vBDC (3-48)
w4 -5 = 0 (3-49)
Q4-5 = Qout = mmcv (T5 – T4) = mmcv (T1 – T4) (3-50)
q4-3 = qout = cv (T5 – T4) = (u5 – u4) = cv(T1 – T4) (3-51)
Proses 5 - 6 :
Langkah buang pada tekanan konstan Po. Katup masuk tertutup dan katup buang terbuka.
W5 -6 = P6(v6 –v5) = P6(v6 –v1) (3-52)
Efisiensi thermal dari siklus diesel :
(ht) Diesel = wnet / qin = 1 – (qout/qin)
= 1 – cv(T4 – T1) / cp(T3 – T2) = 1 – (T4 – T1) / k(T3 – T2) (3-53)
atau ;
(ht) Diesel = 1 – [ 1/ rc) k—1((βk – 1) / (k(β – 1 )) (3-54)
Modul Motor Bakar (TP 308) 60
dimana ;
rc = perbandingan kompresi,
k = cp/cv,
β = cutoff ratio
Gb. 3- 6 Efisiensi thermal indikator sebagai fungsi cutoff ratio untuk siklus udara standar (k = 1,35)
Contoh Soal :
3-2 Sebuah mesin truk besar 6 silinder beroperasi pada siklus diesel dengan
menggunakan bahan bakar diesel berat dengan efisiensi pembakaran 98%. Mesin
mempunyai pebandingan kompresi 16,5 : 1. Temperatur dan tekanan dalam silinder
pada awal langkah kompresi 55oC dan 102 kPa. Temperatur siklus maksimum
2410oC.
Modul Motor Bakar (TP 308) 61
Hitunglah :.
a. Temperatur, tekanan, dan volume spesifik pada setiap siklus.
b. Perbandingan udara~bahan bakar campuran gas dalam silinder
c. Temperatur silinder ketika katup buang terbuka.d. Efisinesi thermal
indikator mesin3.4 Siklus DualSiklus udara standar yang digunakan
untuk menganalisa siklus mesin CI modern dinamakan siklus dual, atau kadang-
kadang dinamakan dengan dengan siklus tekanan terbatas. Hal ini dinamakan
siklus dual karena proses pemasukan panas dari pembakaran dapat terbaik bila
didekati dengan proses dual antara volume konstan dan tekanan konstan. Proses
ini juga dipertimbangkan siklus Otto dengan tekanan terbatas.Gb. 3-7
Diagram indikator mesin CI modern 4 tak Gb. 3-8 Diagram siklus
udara standar dual Analisa termodinamika siklus udara standar dual
Analisa siklus dual udara standar sama sebagaimana siklus diesel, kecuali
untuk proses pemasukan panas (pembakaran) 2-x-3.Proses 2-x =
Pemasukan panas pada volume konstan (bagian pertama dari pembakaran).
Semua katup tertutup. Vx = V2 = VTDC
(3-55) W 2-x = 0
(3-56) q 2-x = mmcv(Tx-T2) = (ma +
mf)cv(Tx – T2) (3-57) q 2-x = cv(Tx-T2) =
(ux – u2) (3-58) Px = Pmax
= P2(Tx/T2) (3-
59)Perbandingan tekanan didefinisikan sebagai kenaikan tekanan selama
pembakaran, diberikan sebagai perbandingan : α = Px/P2 = P3/P2 = Tx/T2 =
(1/rc)k(P3/P1) (3-60) Proses x -3 : pemasukan
panas pada tekanan konstan (bagian kedua dari pembakaran). Semua katup
tertutup. P3 = Px = Pmax
(3-61) Q x-3 = mmcp(T3-Tx) = (ma + mf)cp(T3 – Tx)
(3-62) q x-3 = cp(T3-Tx) = (h3 – hx)
Modul Motor Bakar (TP 308) 62
(3-63) w x-3 = q x-3 – (u3-ux) = Px(v3 – vx) = P3(v3 – vx)
(3-64) Px = Pmax = P2(Tx/T2)
(3-65)Cutoff ratio : β = v3/vx = v3/v2 = V3/V2 = T3/Tx
(3-66)Panas yang dimasukkan :Qin = Q2-x + Qx-3 = mfQHVηc
(3-67) q in = q2-x + qx-3 = (u3-u2) +
(h3 – hx) (3-68)Efisiensi termal dari siklus dual :
(ηt)DUAL = ׀wnet ׀/ ׀ qin ׀ – (1= ׀ qout ׀/ ׀ qin׀ = 1 – cv(T4 –
T1)/(cv(Tx – T2) + cp(T3 – Tx) = 1 – (T4 – T1)/((Tx – T2) + k(T3 – Tx))
(3-69)Hal ini dapat diberikan : (ηt)DUAL = 1 –
(1/rc)k-1((αβk – 1) / ( kα(β-1) + α – 1)) (3-70)dimana :rc =
perbandingan kompresik = cp/cvα = perbandingan tekananβ = cutoff
ratioSebagaimana siklus Otto, efisiensi termal udara standar didapatkan untuk CI
lebih tinggi dari pada siklus udara~bahan bakar riil. Karena alasan yang sama
dari perubahan komposisi, kerugian panas, overlap katup, dan batasan waktu
yang diperlukan untuk setiap siklus. (ηt)aktual = 0,85 (ηt)DIESEL
(3-71)(ηt)aktual = 0,85 (ηt)DUAL
(3-72)Perbandingan Siklus Otto, Diesel,
dan Dual
Perbandingan siklus Otto, Diesel, dan Dual dengan kondisi masuk yang sama dan
perbandingan kompresi yang sama. Efisiensi termal dari setiap siklus dapat ditulis sebagai
berikut : ηt = 1 – (׀qout ׀/ ׀ qin׀
)3-73( Luasan dibawah garis proses pada koordinat T-s adalah sama untuk
pepindahan kalor, seperti dalam gambar 3-12 (b) efisiensi termal dapat dibedakan. Untuk
setiap siklus, qout adalah sama (proses 4-1). qin dari setiap siklus berbeda, dan
menggunakan gambar 3-12 (b) dan persamaan (3-92) untuk mendapatkannya, untuk
kondisi ini ; (ηt)OTTO > (ηt)DUAL > (ηt)DIESEL
(3-74)Gb. 3- 9 Perbandingan siklus udara standar otto, siklus dual dan
siklus diesel Gb. 3-10 Perbandingan siklus udara standar otto, siklus dual dan
siklus dieselBagaimanapun, ini bukan cara terbaik untuk membandingkan ketiga siklus,
Modul Motor Bakar (TP 308) 63
karena ketiganya tidak beroperasi pada perbandingan kompresi yang sama. Mesin CI
beroperasi pada siklus dual atau siklus diesel mempunyai perbandingan kompresi lebih
tinggi dari pada operasi mesin SI pada siklus Otto. Cara yang lebih realistis untuk
menbandingkan ketiga siklus ini pada tekanan sama- yang dibatasi oleh desain mesin,
seperti yang diperlihatkan pada gambar 3-13. Ketika gambar ini dibandingkan dengan
persamaan (3-92), akan didapatkan bahwa ;(ηt)DIESEL > (ηt)DUAL > (ηt)OTTO
(3-75)Contoh Soal :3-3 Sebuah truk kecil 4 silinder, dengan mesin CI
4 liter dioperasikan pada siklus udara standar dual (gambar 3-11) menggunakan bahan
bakar diesel ringan pada perbandingan udara~bahan bakar 18. Perbandingan kompresi
mesin 16:1 dan diameter lubang silinder 10,0 cm. Pada permulaan langkah kompesi,
kondisi dalam silinder adalah 60oC dan 100 kPa dengan residu buang 2 %. Ini dapat
diasumsikan bahwa setengah dari masukan kalor dari pembakaran ditambahkan pada
volume konstan dan setengahnya pada tekanan konstan. Hitunglah : a.
Temperatur dan tekanan pada setiap keadaan dari siklus. b. Efisiensi termal
indikasi. c. Temperatur buang. d. Temperatur udara dalam saluran
masuk.Efisiensi volumetrik mesin.
3.5 Siklus Mesin SI 2 Tak
Gb. 3- 11. Pendekatan siklus udara standar untuk mesin SI 2 tak, 1-2-3-4-5-6-7-1 Proses 1 – 2 : Langkah tenaga isentropik atau langkah ekspansi. Pada
keadaan ini semua katup tertutup. T2 = T1(V1/V2)k-1
(3-76) P2 = P1(V1/V2)k
(3-77) q 1-2 = 0(3-78) w 1-2 = (P2v2 – P1v1)/(1 – k) = R(T2 – T1)/(1 – k) (3-
79)Proses 2 - 3 : Pembuangan. Saluran buang terbuka dan saluran masuk tertutup.Proses 3 – 4 - 5 : Pemasukan, dan pembilasan. Saluran buang terbuka dan saluran masuk
terbukaProses 5 - 6 : Pembuangan pembilasan. Saluran buang terbuka dan saluran masuk tertutup. Proses ini berlangsung sampai saluran buang tertutup pada titik 6.Proses 6 - 7 :
Kompresi isentropik, semua saluran tertutup. T7 = T6(V6/V7)k-1
(3-80) P7 =
P6(V6/V7)k (3-81) q 6-7 = 0
Modul Motor Bakar (TP 308) 64
(3-82) w 6-7 = (P7v7 – P6v6)/(1 – k) = R(T7 – T6)/(1 – k) (3-83)Dalam beberapa mesin, bahan bakar
ditambahkan setiap awal dalam proses kompresi. Busi memercikkan api mendekati akhir proses 6-7.Proses 7 - 1 : Pemasukan kalor pada volume konstan (pembakaran).
Semua saluran tertutup. V7 = V1 = VTDC (3-84) W7-1 = 0
(3-85) W7-1 = Qin = mfQHVηc = mmcv(T1 – T7) (3-86) T1 = Tmax
(3-87) P1 = Pmax = P7(T1/T7)(3-88) 3.7 Siklus Mesin CI 2 Tak Gb. 3- 12
Pendekatan siklus udara standar untuk mesin CI 2 tak, 1-2-3-4-5-6-7-x-1 Proses 7 - x : Pemasukan kalor pada volume konstan (bagian pertama
pembakaran). Semua saluran tertutup. V7 = V1 = VTDC (3-89) W7-1 = 0
(3-90) Q7-1 = mmcv(Tx – T7) (3-91) Px = Pmax = P7(Tx/T7) (3-92)Proses x -
1 : Pemasukan kalor pada tekanan konstan (bagian kedua pembakaran). Semua saluran tertutup. P1 = Px = Pmax
(3-93) Wx-1 = P1(V1 – Vx)(3-94) Qx-1 = mmcp(T1 – T7)
(3-95) T1= Tmax Contoh Soal :3-4 Sebuah kapal pencari ikan menggunakan motor yang beroperasi pada siklus
udara standar mesin SI 2 tak pada 3100 RPM. Mesin 4 silinder mempunyai diameter silinder dan langkah B = 5,2 cm dan S = 5,8 cm, efisiensi mekanis ηm = 77 %,
perbandingan kompresi rc = 12, dan offset ratio antara panjang batang penggerak dan
poros engkol R = r/a = 3,2. Celah pembuangan pada sisi silinder terbuka pada 105oC sesudah TDC dan celah pemasukan terbuka pada 50oC sebelum BDC. Dengan kompresi
kotak engkol, campuran bahan bakar~udara masuk pada tekanan P = 145 kPa dan sesudah pencampuran dengan gas sisa dalam silinder temperatur gas pada awal kompresi T = 48oC.
Temperatur maksimum siklus Tmax = 2250oC. Hitunglah : a. Perbandingan kompresi efektif b. Temperatur silinder pada awal
pembilasan buang c. Daya indikasi d. Daya reme. Tekanan efektif rerata indikasi. (3-96)
Modul Motor Bakar (TP 308) 65