SIKLUS MESIN

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


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


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


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)


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)


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)


= 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)


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


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)


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)


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)


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.


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)


(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,


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


(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)


SIKLUS MESIN

Documents

Transcript of SIKLUS MESIN