Margareta Vania Stephanie10213076

TUGAS FISIKA TERMAL (FI3102)MESIN BENSIN DAN MESIN DIESEL

Kelas 01Dosen: Idam Arif

1. Mesin Bensin (Mesin Otto) Mesin Bensin adalah mesin dengan pembakaran internal dalam siklus 2-stroke atau 4-stroke. Stroke adalah jarak yang ditempuh piston. Ada enam (6) proses mesin bensin, yaitua. Intake Stroke (Langkah Hisap)

Intake Stroke merupakan sistem campuran uap bensin dan udara, yang bergerak ke dalam silinder akibat penghisapan seiring piston memperbesar volume. Campuran uap bensin dan udara dihisap ke dalam silinder secara isobarik. Tekanan di luar lebih besar daripada tekanan dalam silinder, sehingga campuran didorong ke ruang pembakaran.

Gambar 1. Langkah Hisap atau Instake Stroke

Persamaan gas ideal pada proses ini adalah sebagai berikut.Po V=nRT 1 (1)

dengan adalah Po tekanan atmosfer dan T 1 suhu udara luar.

b. Compression Stroke (Langkah Pemampatan)Compression Stroke merupakan campuran uap gas dan udara yang ditekan secara adiabatik hingga tekanan dan suhunya naik. Proses ini dapat dilakukan dengan mengurangi volume di ruang pembakaran.

Gambar 2. Langkah Pemampatan atau Compression Stroke

Persamaan gas ideal yang memenuhi proses ini adalah sebagai berikut.

T 2V 2γ−1=T 3V 1

γ−1 (2)

dengan V 1> V 2, Q =0, W = -∆U = 1

γ−1(P3 V 1−P2 V 2)

c. Combustion (Langkah Pengapian)Combustion merupakan pembakaran campuran panas secara cepat setelah diperciki listrik. Hasil pembakaran mencapai tekanan dan suhu yang sangat tinggi, tetapi volume tidak berubah selama interval waktu yang pendek ini. Piston juga tidak bergerak selama proses cepat ini.

1

Gambar 3. Langkah Pengapian atau Combustion

Pada proses ini, W=0 dan Q= ∆U = C v (T 3−T 2)>0.

d. Power Stroke (Langkah Daya)Power stroke adalah proses dimana hasil pembakaran mengembang dan mendorong piston sehingga volume naik tetapi tekanan dan suhu turun. Sistem melakukan kerja pada lingkungan (crankshaft, transmission, etc)

Gambar 4. Langkah daya atau power stroke

Persamaan gas ideal yang memenuhi proses ini adalah sebagai berikut.

T 4 V 1γ−1=T5 V 2

γ−1 (3)

dengan V 1> V 2, , Q =0, W = -∆U = 1

γ−1(P5 V 2−P4V 1)

e. Exhaust Hasil pembakaran di akhir langkah daya masih dalam tekanan dan suhu lebih tinggi daripada lingkungan. Pada langkah exhaust, katup terbuka untuk mengeluarkan sebagian gas hingga tekanan mencapai tekanan atmosfer. Piston masih tidak bergerak dalam proses ini.

Gambar 5. Exhaust

Pada proses ini, W=0 dan Q= ∆U = C v (T 3−T 2)<0.

f. Exhasut stroke (Langkah Pembuangan)Exhasut Stroke adalah proses dimana piston mendorong semua sisa pembakaran keluar dari siinder secara isobar, dengan memberikan tekanan yang lebih besar daripaa tekanan atmosfer.

2

Gambar 6. Langkah Pembuangan atau Exhasust stroke

Persamaan gas idealnya mirip seperti persamaan (1).

Proses isobarik pada langkah a dan f akan saling menghilangkan. Dari 4 proses lainnya, dua diantaranya

melibatkan adanya aliran kalor, yaitu absorpsi |QH| pada langkah c dengan temperatur tinggi dan

pengeluaran |QL∨¿ pada langkah e dengan temperatur rendah.

Asumsikan C v konstan di sepanjang garis 3 4, maka |QH| yang masuk dalam sistem adalah

|QH| = ∫T3

T 4

C v dT = C v (T 4−T 3).

Sama halnya dengan proses 5 6 (atau 2), besar kalor yang meninggalkan sistem adalah

|QL| = −∫T5

T2

C v dT = C v (T 5−T 2).

Efisiensi termal didefinisikan sebagai berikut.

η= 1-¿QL∨¿

¿QH∨¿¿¿ = 1 -

(T 5−T 2) .(T 4−T 3)

(4)

Kemudian, dari persamaan (2) dan (3) kita bisa mendapatkan persamaan berikut.

(T 4−T 3) V 1γ−1=¿ (T 5-T 2¿ V 2

γ−1 (5)

atau

(T 5−T 2)(T 4−T3)

=(V 2

V 1

)γ−1

(6)

Dan kita mendefinisikan V 2

V 1

sebagai r, yaitu nisbah pemampatan atau nisbah pemuaian.

Sehingga, dari persamaan (4), kita bisa mendapatkan.

η= 1-(V 2

V 1

)γ−1

= 1 -1

rγ−1 (7)

Kelakuan mesin bensin dapat dihampiri dengan mengambil anggapan sekumpulan keadaan ideal sebagai berikut:a. Zat kerjanya pada setiap saat adalah udara yang berkelakukan sebagai gas ideal dengan kapasitas

kalor tetap;b. Semua proses berlangsung kuasi-statik.c. Tidak ada gesekan.

3

Gambar 7. Sketsa Sebenarnya dari Siklus Mesin Otto

2. Mesin Diesel Mesin diesel adalah mesin dengan siklus yang mirip dengan siklus otto, hanya saja mesin diesel memiliki satu langkah dengan tekanan tetap. Mesin diesel ditemukan oleh Rudolph Diesel tahun 1897. a. Langkah Hisap (Intake)

Udara masuk dalam sistem intake.

Gambar 8. Langkah Hisap Mesin Diesel

b. Langkah Pemampatan (Compression)Udara ditekan secara adiabatik hingga temperatur cukup tinggi untuk membakar minyak yag disemprotkan pada silinder setelah kompresi.

Gambar 9. Langkah Pemampatan Mesin Diesel

c. Langkah Pembakaran (Injection)Bahan bakar diesel disemprotkan. Laju pemberian minyak diatur sedemikian hingga pembakaran berlangsung hampir isobar, pistonnya bergerak ke luar selama pembakaran.

Gambar 10. Langkah Pembakaran Mesin Diesel

d. Langkah Daya (Power)Sama seperti mesin bensin, hasil pembakaran mengembang dan mendorong piston sehingga volume naik tetapi tekanan dan suhu turun.

4

Gambar 11. Langkah Daya Mesin Diesel

e. Pembuangan Melalui Katup (Exhaust)Sama seperti mesin bensin, katup terbuka untuk mengeluarkan sebagian gas hingga tekanan mencapai tekanan atmosfer (masih dalam tahap isovolum).

f. Langkah Buang (Valve Detail)Sama halnya dengan mesin bensin, piston mendorong semua sisa pembakaran keluar dari siinder secara isobar, dengan memberikan tekanan yang lebih besar daripaa tekanan atmosfer.

Gambar 12. Langkah Pembuangan Mesin Diesel

Berikut adalah gambar siklus mesin diesel dalam diagram P-V.

Gambar 13. Siklus Mesin Diesel

Perhitungan Siklus Mesin Diesel

Didefinisikan

r E=V 1

V 3

= nisbah pemuaian

rC=V 1

V 2

= nisbah pemampatan

Kemudian, dengan menggunakan

persamaan gas ideal PV = nRT dan γ =Cp

C v

, maka

Dengan V a=V d=V 1dan PC = Pb, maka

Dengan menggunakan kondisi adiabatik berikut

maka kita dapat memperoleh nilai efisiensi sebesar

5

Referensi:1. Zemansky, M. W. & Dittman, R.H. 1997. Heat and Thermodynamics, 7th ed. New York: McGraw-Hill.

Page 142-147.2. Zeemansky, M.W. dan Dittman, R.H. 1986. Kalor dan Termodinamika (terj.). Bandung:Penerbit

ITB. Halaman 158-162.3. The Otto Cycle: A schematic version of the four-stroke engine cycle. http://hyperphysics.phy-

astr.gsu.edu/. Tersedia: 3 Oktober 2015.4. The Internal Combustion Engine (Otto Cycle).

http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node25.html. Tersedia: 3 Oktober 2015.5. Diesel Engine. http://www.animatedengines.com/diesel.html. Tersedia: 6 Oktober 2015.6. Diesel Engine Theoretical Efficiency. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/diesel.html#c1.

Tersedia: 6 Oktober 2015.

6