BAB III

SIKLUS-SIKLUS DAYA GAS

3.1. SIKLUS OTTO (SIKLUS VOLUME KONSTAN)

Pada tahun 1887 Nikolaus Otto, seorang warga negara Jerman, memproduksi sebuah

motor gas jenis 4 langkah. Dengan siklus termodinamika atau siklus udara standar

dipergunakan udara sebagai fluida kerja dalam sebuah sistem tertutup. Empat buah proses

reversibel ideal adalah : Proses 1 – 2 kompresi secara isentropik, Proses 2 – 3 penambahan

kalor pada volume konstan, Proses 3 – 4 ekspansi secara isentropik, dan Proses 4 – 1

pembakaran pada volume konstan. (Gambar 3.1). Effisiensi panas dan siklus udara standar

merupakan perbandingan dari kerja yang dihasilkan terhadap energi kalor yang dimasukkan.

Kalor yang dihasilkan pada volume konstan adalah :

qA = Cv (T3 – T2) (3.1)

Gambar 3.1. Siklus Otto.

Kalor yang dibuang pada volume konstan 4 - 1 adalah :

qR = Cv (T4 – T1) (3.2)

Kerja yang dihasilkan :

w = qA – qR (3.3)

Effisiensi siklus udara standar :

(3.4)

Di mana :

(3.5)

Tekanan Efektif Purata (mep) dinyatakan dalam rasio eksplosi.

T2 = T4 εk-1

T3 = α T2

= α T1 εk-1 (3.6)

T4 = α T1 (3.7)

(3.8)

Karena P1V1 = RT1

= (Cp-Cv) T1

= Cv (k-1) T1

Disubstitusikan ke persamaan (3.8.)

(3.9)

Dalam praktek sebenarnya, motor dengan siklus 4 langkah, torak melakukan 4 jenis

langkah untuk setiap siklusnya, yaitu : langkah Hisap, kompresi, kerja dan pembuangan.

Selama a – 1, katup masuk terbuka, sehingga campuran udara-bahan bakar terisap

kedalam silinder (lihat Gambar 3.1).

Selama proses 1-2 campuran tersebut dikompresikan mencapai tekanan P, dan volume

minimum atau disebut volume sisa (clearance volume). Campuran kemudian dinyalakan

dengan loncatan bunga api busi dan terjadilah proses pembakaran pada volume konstan yang

mengakibatkan terjadinya kenaikan tekanan mencapai P3.

Selama proses 3-4, langkah ekspansi mencapai volume maksimum, dan torak

menghasilkan kerja. Pada titik 4, katup buang terbuka, sehingga gas hasil pembakaran secara

cepat keluar dari dalam silinder dan tekanannya turun mencapai tekanan semula kembali.

Gas hasil pembakaran didorong ke luar dari silinder oleh torak pada saat torak

bergerak dari 1 ke titik A seperti terlihat pada proses 1-A.

Contoh 3.1.

Suatu siklus udara volume konstan, dengan rasio kompresi 8, dan suhu mula-mula

333 K, dimasukkan kalor sebesar 550 kcal/kg. Hitunglah effisiensi panas, bila Cv = 0,171 dan

ε = 1.4.

Penyelesaian : (lihat Gambar 3.1.)

T2 = 333 x 80,4

= 2,3 x 333

= 765,9 K

Cv(T3 – 765,9) = 550

T3 = 3982,27

T4 = T3/2,3

= 3982,27/2,3

= 1731,42

ηt = 1 – 0,171(1731,42-333)/550

= 0,564

3.2. SIKLUS DIESEL (TEKANAN KONSTAN)

Suatu kondisi akhir kompresi akan meningkat bila rasio kompresi ditingkatkan. Rasio

kompresi yang sangat tinggi tidak diharapkan pada motor Otto karena terjadi ledakan

pembakaran atau detonasi (ketukan) pada rasio kompresi yang tinggi. Walaupun minyak

dengan kualitas tinggi dapat dipergunakan pada motor yang mempunyai rasio kompresi yang

lebih tinggi, tetapi tidak dapat menghilangkan terjadinya detonasi.

Pada tahun 1900 di Jerman, Rudolph Diesel merencanakan sebuah motor dengan

mengkompresikan udara sampai mencapai temperatur nyala dari bahan bakar, kemudian

bahan bakar diinjeksikan dengan laju penyemprotan sedemikian rupa sehingga dihasilkan

proses pembakaran pada tekanan konstan. Penyalaan terhadap bahan bakar diakibatkan oleh

satu kompresi dan bukan oleh penyalaan busi seperti halnya motor cetus api (S.I. engine).

Oleh karena itu motor diesel disebut juga motor penyalaan kompresi (C.I. engine).

Gambar 3.2. Siklus Diesel

Effisiensi udara standar (lihat Gambar 3.2)

Tulis suhu T2, T3, T4 sebagai fungsi T1 maka kita dapatkan T2 = T1 x rk (3.1)

Proses 2-3: Rasio pemasukan bahan bakar didefinisikan sebagai :

ρ = V3/V2

= T3/T2

T3 = T2 ρ = ρ T1 εk-1 (3.2)

Proses 3-4:

(3.3)

Effisiensi panas

ηt = 1 – (qA/qR) (3.4)

qA = h3 – h2

= Cp (T3 – T2) (3.5)

Kalor yang dibuang pada volume konstan,

qR = Cv(T4 – T1) (3.6)

ηt = 1 – (qA/qR)

(3.7)

Tekanan Efektif Rata-rata :

(3.8)

Catatan:

(3.9)

Effisiensi siklus diesel dinyatakan dalam rasio kompresi (ε) dan rasio ekspansi (x).

Proses 1-2

= εk-1

T2 = T1 εk-1 (3.10)

Proses 2-3

(3.11)

Akibatnya:

;

(3.12)

Proses 3-4

(3.13)

Effisiensi Thermis :

(3.14)

Contoh 3.2

Perkirakan effisiensi udara standar dari sebuah motor diesel yang mempunyai

diameter silinder 25 cm dan panjang langkah (stroke) 40 cm, volume sisa 1,5 liter dan

periode pemasukan bahan bakar sampai 5 % dari panjang langkah

Penyelesaian:

vo = 1,5 liter

= 19,635 liter

v1 = vo+ vs

= 21,135 liter

ε = 21,135/1,5

=14,09

= 1,6545

ρ = 1+0,05(ε-1)

= 1+0,05(14,09-1)

= 1,6545

= 0,6135

= 61,35%

3.3. SIKLUS GABUNGAN (DUAL CYCLE)

Siklus gabungan adalah kombinasi antara siklus Otto dengan siklus Diesel. Pada

siklus ini pemasukan kalor sebagian pada volume konstan seperti dalam siklus Otto, dan

sebagian lagi pada tekanan konstan seperti dalam siklus Diesel. Kombinasi demikian

merupakan gambaran yang lebih baik pada motor-motor pembakaran dalam modern. oleh

karena itulah siklus disebut Gabungan (Gambar. 3.3)

ηt = 1-(qR/qA)

qA = Cv (T3 – T2) + Cv(T4-T3) (3.15)

qR = Cv(T5 – T1)

(3.16)

T2 = T1εk-1

Rasio eksplosi x:

T3 = αT2 = αT1εk-1 (3.17)

= ρ T4 = T3 ρ = α T1εk-1 ρ (3.18)

= αT1 ρ k (3.19)

Gambar 3.3. Siklus Gabungan

(3.20)

Tekanan Efektif Rata-rata :

(ε-1) mep = Cv (T3-T2)+Cv(T4-T3)-Cv(T5-T1)

= Cv[T3-T2 -T5+T1+k(T4-T3)]

(3.21)

Contoh 3.3.

Suatu motor yang bekerja dengan siklus tekanan terbatas mempunyai rasio kompresi

16, temperatur dan tekanan awal adalah masing-masing 330 K dan 1 kgf/cm2. tekanan

maksimum dibatasi sampai 70 kgf/cm2. jumlah kalor yang dimasukkan 550 kcal/kg udara.

Tentukanlah effisiensi ideal dan mep. Carilah besarnya tekanan temperatur dan volume pada

titik-titik setiap akhir proses.

Ambil Cp = 0,237, Cv = 0,169

Penyelesaian :

Untuk siklus gabungan (lihat Gambar 3.3)

ε = 16

P3 = 70kgf/cm2

T1 = 330K

P1 = 1 kgf/cm2

q = 550 kcal/kg

k = Cp/Cv = 0,237/0,169 = 1,4

Proses 1 – 2 :

T2 = T1 x εk-1

= 330 x 160,4

= 1.000 K

1.000/330 = (P2/1)0,4/1,4P2 = 3,033,5 = 49 kgf/cm2

Proses 2 – 3 :

70/T3 = 49/1000 T3 = 1.430 K

Proses 3 – 4 :

550 = Cv(T3-T2) + Cp(T4-T3)

= 0,169 (1430-1000) + 0,237 (T4-1430)

T4 = 3.440 K

v4 = 2,41 m3

Proses 4 – 5 :

= 1/(6,64)0,4

= 1 / 2,13

T5 = 3440/2,13 = 1,615 K

= 0,605

kerja yang dihasilkan

W = 550 x 0,605

= 332,75 kcal

W = 332,75 x 427 kgf-m

Volume total silinder :

10000 v1 = 29 x 330

v1 = 1,044 m3

volume langkah (volume isap)

VL = (15/16) x 1,044 = 0,979

= 14,51 x 104 kgf/m2 = 14,51 kgf/cm2

3.4. SIKLUS ATKINSON

Siklus Atkinson adalah suatu siklus untuk motor otto dengan ekspansi gas buang ke

sebuah turbin gas (Gambar 3.4). Proses-proses 1-2, 2-3, 3-A adalah rangkaian proses yang

terjadi baik pada siklus Otto maupun Atkinson. Sedangkan untuk proses selanjutnya pada

siklus Otto terjadi ekspansi pada volume konstan V1 dari titik a ke 1, dan pada siklus

Atkinson, ekspansi isentropik berlangsung terus dari tekanan P3 ke P4 dengan pembuangan

kalor terjadi pada tekanan konstan P1 (proses 4-1). Selama proses 1-2, gas ideal

dikompresikan secara isentropik dari volume V1 mencapai volume V2 dengan r = V1/V2, dan

dari tekanan awal P1 ke P2. Proses 2-3 adalah proses penambahan kalor pada volume konstan

sebesar qA :

qA = Cv (T3 – T2) (3.22)

Selama proses 2-3 tekanan meningkat dari p2 menjadi p3 dan temperatur dari T2 ke T3. Proses

3-4 adalah proses isentropik dan proses 4-1 adalah proses pembuangan kalor.

Gambar 3.4. Siklus Atkinson.

Effisiensi :

T2 = T1 εk-1

T3 = αT2

= T1α1 / k

(3.23)

3.5. SIKLUS LENOIR

Siklus udara Lenoir digunakan untuk mesin propulsi (Gambar 3.5) yang terdiri dari

rangkaian proses sebagai berikut:

Gambar 5.3. siklus linoir

Proses 1-2. Pendinginan pada tekanan konstan dengan cara pembuangan kalor tanpa proses

kompresi.

Proses 2-3. Pemanasan pada volume konstan.

Proses 3-1. Ekspansi isetropik.

Untuk siklus Lenoir berlaku:

T3=T1 x εk-1

(3.24)

3.6. SIKLUS STIRLING

Sebuah mesin udara panas telah dikembangkan pada tahun 1845 oleh Stirling.

Siklusnya (gambar 3.6) terdiri dari dua proses volume konstan 2-3 dan 4-1, serta dua proses

temperatur konstan (isotermis) 1-2, 3-4, masing-masing pada temperatur T1 dan T2. Udara

panas dihasilkan dalam suatu sumber pemanas yang kemudian disalurkan ke mesin pada titik

3 dengan suhu T2. Udara panas tersebut ditekan ke dalam silinder, kemudian diekspansikan

secara isotermis dari titik 3 ke 4, dan kalor diberikan oleh sumber pemanas.

Gambar 3.6. Siklus Stirling

Udara panas kemudian dilewatkan ke sebuah regenerator di mana akan terjadi

pendinginan mencapai suhu T1 pada volume konstan, seperti terlihat dalam proses 4-1. Udara

dari titik 1 dikompresikan secara isotermis sampai mencapai titik 2, dan kalor akibat

kompresi dibuang ke catu air pendingin. Udara pada titik 2 selanjutnya dipanaskan mencapai

titik 3 dengan cara melewatkannya ke regenerator dalam arah yang berlawanan terhadap arah

proses 4-1, sehingga jumlah kalor yang dibuang pada proses 4-1 adalah sama dengan jumlah

kalor yang diserap untuk pemanasan dalam proses 2-3. Tidak terjadi penyerapan maupun

pembuangan kalor luar (external resources). Kalor yang dimasukkan dari sumber luar adalah

besarnya kalor yang diserap qA dan dinyatakan sebagai :

qA = R T2 ln ε

Kalaor yang dilepaskan dari sumber luar adalah besarnya kalor yang dibuang selama proses

kompresi isotermis 1-2 yang dinyatakan dengan :

qR = R T1 ln ε

Effisiensi, dinyatakan dengan

ή = l-(qR/qA)

= (T2-T1)/T2

Effisiensi ini sama dengan effisiensi Carnot. Siklus Stirling menyerap kalor pada

temperatur tertinggi T2 dan membuang kalor pada temperatur terendah T1. Hal ini merupakan

ciri termodinamika yang reversibel akibat cara kerja dari regeneratornya. Pada kenyataannya,

sebuah motor udara panas yang bekerja sesuai dengan siklus Stirling telah dikembangkan

oleh pabrik pengecoran Dundee, dan dapat mengahasilkan daya sebesar 45 bhp pada 28 rpm

yang bekerja antara temperatur 350oC dan 70oC. Motor ini merupakan motor udara panas

dengan aksi ganda (double acting) yang memiliki torak berdiameter 30 cm dan panjang

langkah 1,2 meter. Pada saat awal, udara dikompresikan mencapai tekanan 16 kgf/cm2, mep-

nya adalah 2,8 kgf/cm2 dengan effisiensi 0,3 dan telah dapat beroperasi selama 3 tahun.

3.7. SIKLUS ERICSSON

Siklus Erricsson mulanya diusulkan oleh seorang Swedia yang bernama john

Ericsson. Siklusnya terdiri dari dua proses tekanan konstan 2-3 dan 4-1 (Gambar 3.7) dan dua

prose temperatur konstan 1-2 dan 3-4. Secara termodinamik, siklus tersebut adalah reversibel

akibat cara kerja dari regeneratornya selama kedua proses tekanan konstan. Udara panas pada

temperatur T2 dialirkan melalui suatu sumber pemanas dan ditekan paksa ke dalam silinder

motor yang kemudian diekspansikan secara isotermis seperti terlihat pada prose 3-4.

Gambar 3.7. Siklus Ericsson

Udara pada temperatur konstan T1 didinginkan dengan cara melewatkannya ke sebuah

regenerator. Proses termodinamik ini adalah reversibel dengan melakukan pendinginan secara

metode graduasi. Udara kemudian bereda pada keadaan 1. Selanjutnya gas dikompresikan

secara isotermis, proses 1-2, dengan sebuah pompa udara, kemudian kalor dibuang ke catu air

pendingin selama proses 1-2. Udara dipanaskan dengan cara melewatkannya dalam sebuah

regenerator pada temperatur konstan T2 seperti terlihat pada proses 2-3.

Kalor yang diserap :

qA = R T2 ln ε

Kalor yang dibuang :

qR = R T1 ln ε

Effisiensi termis :

ή = 1 – (qR/qA)

= (T2 – T1)/T2

Motor udara panas yang dipasang pada kapal Ericsson bekerja atas dasar siklus ini

pada tahun 1853. motor ini mempunyai 4 buah silinder yang masing-masing berdiameter 4,2

meter dan panjang langkah 2 meter. Dapat menghasilkan daya sebesar 300 ihp pada 9 rpm

dan bekerja pada batas temperatur dari 210oC dan 50oC. Siklus Ericsson dipergunakan pada

turbin gas ideal seperti Gambar 3.7.2. Turbin memiliki kompresi bertingkat banyak (multi-

stage compression) dengan pendinginan-pendinginan antara(intercoolers), mesin pemindah

kalor, ekspansi bertingkat banyak dengan pemanasan ulang (reheat) yang terdiri dari

sejumlah tingkat pemanas ulang sehingga menyerupai suatu siklus dengan penambahan kalor

pada temperatur konstan T2 dan pembuangan kalor juga pada temperatur konstan T1. Jadi

proses-proses kompresi dan ekspansi menjadi hampir isotermis seperti terlihat pada garis-

garis horisontal yang putus-putus. Effisiensinya menjadi sama dengan effisiensi Carnot.

Siklus tersebut mendekati siklus Ericsson.