Siklus Termodinamika Motor Bakar

Analisa dan mengenal siklus termodinamika sangat penting untuk mempelajari motor bakar. Proses kimia dan termodinamika yang terjadi pada proses motor bakar sangatlah rumit untuk dianalisis. Jadi dibutuhkan suatu siklus yang diidealkan sehingga lebih memudahkan untuk menganalisa motor bakar. Siklus yang diidealkan tentunya harus memiliki kesamaan dengan siklus sebenarnya.

Contoh dari kesamaannya adalah urutan proses, dan perbandingan untuk kompresi. Di dalam siklus aktual, fluida kerja adalah campuran dari bahan bakar udara dan produk pembakaran, namun di dalam siklus yang diidealkan fluidanya adalah berbentuk udara. Jadi siklus ideal dapat disebut dengan siklus udara.

Siklus Udara Ideal

Pemakaian siklus ini berdasarkan beberapa asumsi yaitu sebagai berikut:

1. Fluida kerja disini dianggap udara sebagai gas ideal dengan kalor sepesifik yang konstan (tidak ada bahan bakar).
2. Langkah isap dan langkah buang pada tekan konstan.
3. Langkah kompresi dan langkah tenaga pada keadaan adiabatis.
4. Kalor dipadat dari sumber kalor dan tidak ada proses pembakaran atau tidak ada reaksi kimia yang terjadi.

Siklus udara pada motor bakar yang akan dibahas kali ini adalah

1. Siklus udara yang terjadi pada volume konstan (Siklus Otto)
2. Siklus udara yang terjadi pada tekanan kostan (Siklus Disel)
3. Siklus udara pada tekanan terbatas. (Siklus gabungan)

Siklus Udara Volume Konstan

Siklus ideal volume kostan adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume konstan biasanya sering disebut dengan siklus ledakan atau (explostion cycle). Karena secara teoritis proses dalam pembakaran terjadi dengan sangat cepat dan menyebabkan peningkatan tekanan yang tiba-tiba.

Penyalaan saat proses pembakaran disini dibantu dengan loncatan bunga api. Nikolaus August Otto memakai siklus ini untuk membuat mesin sehingga siklus ini sering disebut juga dengan siklus otto. Gambar 1 dibawah adalah bentuk dari diagram p-v untuk siklus ideal otto.

Kemudian urutan prosesnya yaitu sebagai berikut:

1. Langkah isap (0-1) yaitu merupakan proses tekanan konstan.
2. Langkah kompresi (1-2) yaitu merupakan proses adiabatis. Proses pembakaran volume konstan (2-3) disini dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume yang kostan.
3. Langkah kerja (3-4) yaitu merupakan proses adiabatis. Proses pembuangan kalor (4-1) disini dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume yang konsatan.
4. Langkah buang (1-0) yaitu merupakan proses tekanan konstan, yang pada gas pembakaran dibuang lewat katup buang.

Siklus Udara Tekanan Konstan

Siklus ideal yang bertekanan kostan ini adalah siklus yang baisanya digunakan untuk mesin diesel. Perhatikan gambar 2 yaitu merupakan diagram p-v untuk siklus ideal meisn Diesel.

Kemudian urutan prosesnya yaitu sebagai berikut

1. Langkah isap (0-1) yaitu merupakan proses tekanan konstan.
2. Langkah kompresi (1-2) yaitu merupakan proses adiabatis. Proses pembakaran tekanan konstan (2-3) disini dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada tekanan yang konstan.
3. Langkah kerja (3-4) yaitu merupakan proses adiabatis. Proses pembuangan kalor (4-1) disini dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume yang konsatan.
4. Langkah buang (1-0) yaitu merupakan proses tekanan konstan

Bisa dilihat dari urutan proses yang terjadi diatas bahwa pada siklus tekanan kostan, untuk pemasukan kalornya pada tekanan kostan yang berbeda dengan siklus volume konstan. Yang pada proses pemasukan kalornya pada kondisi volume konstan.

Siklus tekanan konstan atau yang sering disebut juga dengan siklus diesel. Adalah Rudolf Diesel yang pertama kali merumuskan siklus ini dan sekaligus seorang pembuat pertama mesin diesel.

Proses penyalaan dalam pembakaran tejadi tidak memakai busi, namun terjadi penyalaan sendiri karena temperatur didalam ruang bakar yang tinggi karena kompresi.

Siklus Udara Gabungan

Perbedaan untuk dua siklus yang sudah dijelaskan sebelumnya, yaitu pada proses pembakaran dimana kalor dianggap masuk sistem. Sedangkan pada siklus yang ketiga yaitu proses siklus gabungan, proses pemasukan kalornya memakai dua cara yaitu pemasukan kalor volume yang konstan dan tekanan konstan.

Kemudian dari cara pemasukan kalornya disini terlihat bahwa siklus ini adalah gabungan antara siklus volume konstan dan tekanan konstan. Karena itu pada siklus ini sering disebut juga dengan siklus gabungan, untuk Diagramnya p-v bisa dilihat pada gambar:

Siklus Aktual

Pada gambar 5 diatas yang ditunjukkan adalah siklus aktual dari mesin otto. Fluida kerjanya adalah sebuah campuran bahan bakar udara, jadi terdapat proses pembakaran untuk sumber panas.

Pada langkah hisap, tekanannya disini lebih rendah jika dibandingkan dengan langkah buang. Proses pembakaran disini dimulai dari penyalaan busi (ignition) hingga akhir pembakaran. Proses kompresi dan ekspasi tidak adiabatis, karena ada kerugian panas yang keluar ruang bakar.

Pada gambar 6 diatas yang ditunjukkan adalah siklus aktual dari mesin diesel. Alasan yaitu yang sama dengan mesin,

Perbedaaan pada diesel ini yaitu pada langkah isap yang hanya udara saja, dan pada bahan bakar diseprotkan melalui nosel di kepala silinder. Proses pembakaran yaitu untuk menghasilkan panas karena kompresi, atau pembakaran kompresi.

Menghitung Efiseinsi Siklus Udara Ideal

Dari hukum termodinamika II bisa diketahui bahwa tidak mungkin membuat suatu mesin yang dapat merubah semua energi yang masuk menjadi kerja semuanya.

Dengan kata lain, selalu ada sebagain energi yang terbuang ke lingkungan. Jadi, kerja yang berguna adalah pengurangan untuk jumlah energi yang masuk dengan energi yang terbuang. Perbandingan antara kerja berguna dan jumlah energi yang masuk ke mesin ini adalah definisi dari efisiensi.

Efesiensi dari Siklus Otto

Pada gambar 2 diatas diagram p-v untuk siklus otto, dari gambar tersebut bisa dianalisa untuk menghitung efesiensi siklus sebagai berikut.

Energi kalor yang masuk dalam volume kostan adalah sebesar:
Q_m = mc_v ΔT
Q_m = mc_v (T₃-T₂)

dengan
Q_m = adalah kalor masuk
m = massa fluida
c_v = panas jenis pada volume konstan
ΔT = perbedaan temperatur

Energi yang keluar dari sistem pada volume konstan adalah
Q_l = mc_v ΔT
Q_l = mc_v (T₄ - T₁)

dengan
Q_l = adalah kalor keluar
m = massa fluida
c_v = panas jenis pada volume konstan
ΔT = perbedaan temperatur

Definisi dari efisiensi adalah kerja berguna dibagi dengan energi kalor yang masuk

Jika rasio kompresi didefinisikan sebagi perbandingan antara volume silinder dibagi dengan volume ruang bakarnya yaitu:



maka untuk rumusan efesiensi diatas dapat dituliskan sebagai:

Efisiensi siklus tekanan konstan

Dengan definisi yang sama untuk rasio kompresi, efisiensi sebuah siklus tekanan konstan adalah sebagai berikut:

Dengan menaikan rasio kompresi efisiensi siklus tekanan konstan atau diesel akan semakin naik. Kenaikan rasio kompresi ini artinya tekanan kompresi juga akan tinggi sehingga material yang dibutuhkan harus lebih kuat.

Pada rasio kompresi yang sama efisiensi mesin otto lebih akan tinggi jika dibandingkan dengan mesin diesel. Namun mesin otto tidak bekerja pada rasio kompresi diesel karena terlalu tinggi.

Berbagi :