MOTOR BAKAR Kuliah 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 Energi Kimia Energi Panas Power Bahan Bakar Daya Automobiles Power Generation Submarines Diesel Locomotive

Motor Bakar

Motor bakar 4 langkah (four strokes engine) Setiap satu siklus kerja memerlukan 4 kali langkah kerja, 2 putaran poros engkol 2. Langkah kompresi - Torak dari TMB TMA KI dan KB tertutup - Tekanan dan Temperatur naik akibat kompresi Langkah hisap - Torak dari TMA TMB - Katup isap (KI) terbuka - Katup buang (KB) tertutup - Campuran bahan bakar dan udara masuk 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 Fluida kerja dianggap gas ideal Langkah isap (0 → 1) merupakan proses tekanan konstan. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan proses isentropik Proses pembakanan pada volume konstan (2 → 3) adalah proses pemasukan kalor. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses isentropik Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada tekanan konstan

Thermal Efficiency of the Otto cycle: Now to find Qin and Qout. Apply first law closed system to process 2-3, V = constant. Thus, for constant specific heats,

Apply first law closed system to process 4-1, V = constant. Thus, for constant specific heats, The thermal efficiency becomes

Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so Since V3 = V2 and V4 = V1, we see that

The Otto cycle efficiency becomes Is this the same as the Carnot cycle efficiency? Since process 1-2 is isentropic, where the compression ratio is r = V1/V2 and

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.

Siklus Ideal Diesel (Tekanan Konstan) Qin Qout Fluida kerja dianggap gas ideal Langkah isap (0 → 1) merupakan proses tekanan konstan. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan proses isentropik Proses pembakanan pada tekanan konstan (2 → 3) adalah proses pemasukan kalor. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses isentropik Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada tekanan konstan

Thermal efficiency of the Diesel cycle Now to find Qin and Qout. Apply the first law closed system to process 2-3, P = constant. Thus, for constant specific heats

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 The thermal efficiency becomes

What is T3/T2 ? 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.

What is T4/T1 ? Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so Since V4 = V1 and P3 = P2, we divide the second equation by the first equation and obtain

Therefore, When rc > 1 for a fixed r, . But, since , .

Siklus Tekanan Terbatas Fluida kerja dianggap gas ideal Langkah isap (0 → 1) merupakan proses tekanan konstan. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan proses isentropik Proses pemasukan kalor pada volume konstan (2 → 3). Proses pemasukan kalor pada tekanan konstan (3 → 3a) Langkah kerja (3a → 4) merupakan proses isentropik Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan. 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 :

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 dibuang Q4-1 = -ΔU = U1 – U4 = m Cv (T1 – T4) (negatif, pembuangan kalor) Proses 1-0 (langkah buang) Torak bergerak dari TMB → TMA Fluida 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

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