TERMODINAMIKA “SIKLUS OTTO DAN DIESEL”
Disusun oleh
: Kelompok 5
Anggota
: M. Alfredo Andika : M. Arga Prasetyo : Sandi Saputra : Sepri Ardiansah
Kelas
: 2MB
Dosen Pembimbing
: Ella Sundari, S.T.
TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA
2012/2013 1
Kata Pengantar Puji syukur kami ucapkan kehadirat Allah SWT. Karena atas limpahan rahmat, hidayah, serta karunia-Nya. penulis diberi kekuatan untuk bisa menyelesaikan makalah yang berjudul “Siklus Otto dan Diesel” sebagai tugas pengganti mid II mata kuliah termodinamika semester dua tahun 2013 tepat pada waktunya. Kami ucapkan terima kasih kepada kepada pihak-pihak lain yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan karya ilmiah ini. Kami menyadari karya kami ini jauh dari kata sempurna. Maka, kami meminta maaf atas hal tersebut dan mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak . Semoga karya tulis ini bermanfaat bagi semua pihak, khususnya penulis sebagai pedoman materi sesuai judul yang kami angkat.
Palembang,
Penulis,
2
Juni 2013
DAFTAR ISI Kata Pengantar ....................................................................................................................... 2 DAFTAR ISI.......................................................................................................................... 3 SEJARAH MESIM OTTO DAN MESIN DIESEL.......................................................... 4 a. Sejarah Mesin Otto ................................................................................................ 4 b. Sejarah Mesin Diesel............................................................................................. 5 DEFINISI MESIN OTTO DAN MESIN DIESEL ........................................................... 7 a. Definisi Mesin Otto ................................................................................................ 7 b. Definisi Mesin Diesel ............................................................................................ 7
KLASIFIKASI .................................................................................................................. 10 a. Mesin Otto ............................................................................................................. 10 b. Mesin Diesel ......................................................................................................... 12
SIKLUS OTTO DAN DIESEL ...................................................................................... 13 a. Siklus Otto ............................................................................................................. 13 b. Siklus Diesel ......................................................................................................... 20 PERBEDAAN SIKLUS OTTO DAN SIKLUS DIESEL PADA MESIN 2 TAK ........... a. Cara Pemberiaan dan Penyalaan Bahan Bakar...................................................... b. Perbandingan Kompresi Mesin Bensin dan Diesel ............................................... c. Desain Komponen Mesin Diesel dan Bensin ........................................................ d. Perbedaan ICE 2tak dan ICE 4tak .........................................................................
3
22 22 23 23 23
A. SEJARAH MESIN OTTO (BENSIN) DAN MESIN DIESEL a. Sejarah Mesin Otto (Mesin Bensin) Nikolaus August Otto (14 Juni 1832 – 28 Januari 1891) ialah penemu mesin pembakaran dalam asal Jerman. Sebagai lelaki muda ia mulai percobaan dengan mesin gas dan pada 1864 ikut serta dengan 2 kawan untuk membentuk perusahaannya sendiri. Perusahaan itu dinamai N. A. Otto & Cie., yang merupakan perusahaan pertama yang menghasilkan mesin pembakaran dalam. Perusahaan ini masih ada sampai kini dengan nama Deutz AG. Mesin atmosfer pertamanya selesai pada Mei 1867. 5 tahun kemudian ia disusul oleh Gottlieb Daimler dan Wilhelm Maybach dan bersama mereka ciptakan gagasan putaran empat tak atau putaran Otto. Pertama kali dibuat pada 1876, tak itu merupakan gerakan naik atau turun pada piston silinder. Paten Otto dibuat tak berlaku pada 1886 saat ditemukan bahwa penemu lain, Alphonse Beau de Rochas, telah membuat asas putaran 4 tak dalam selebaran yang diterbitkan sendirian. Menurut studi sejarah terkini, penemu Italia Eugenio Barsanti dan Felice Matteucci mempatenkan versi efisien karya pertama dari mesin pembakaran dalam pada 1854 di London (nomor paten 1072). Mesin Otto dalam banyak hal paling tidak diilhami dari penemuan itu. Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang sering digunakan dalam mobil, pesawat, atau alat lainnya seperti mesin pemotong rumput atau motor, dan motor outboard untuk kapal. Tipe paling umum dari mesin ini adalah mesin pembakaran dalam putaran empat stroke yang membakar bensin. Pembakaran dimulai oleh sistem ignisi yang membakaran spark voltase tinggi melalui busi. Tipe mesin putaran dua stroke sering digunakan untuk aplikasi yang lebih kecil, ringan dan murah, tetapi efisiensi bahan bakarnya tidak baik. Mesin wankel dapat juga menggunakan bensin sebagai bahan bakarnya. Satu komponen dalam mesin lama adalah karburator, yang mencampur bensin dengan udara. Di mesin yang lebih baru karburator diganti dengan injeksi bahan bakar. Di Indonesia produksi mobil meningkat dengan sangat pesat. Wakil Presiden PT Astra Daihatsu Motor (ADM) mengatakan bahwa kapasitas produksi pabrik Daihatsu sudah mencapai titik maksimum sejak April, 25.600 unit per 4
bulan. ADM kini telah menjelma menjadi produsen mobil nomor satu di Indonesia. Selain untuk merek sendiri, seperti Terios, Xenia, Luxio, dan Gran Max, ADM juga memproduksi dua model Toyota, yakni Avanza dan Rush. Avanza dan Xenia adalah mobil terlaris di Indonesia saat ini. Sementara itu, PT Honda Prospect Motor (HPM), yang juga memiliki perakitan di Indonesia, mengaku kapasitas produksinya sudah mencapai 100 persen atau 50.000 unit per tahun. Sebelumnya menargetkan produksi 46.000 unit. Tahun ini total produksi bisa mencapai maksimum 50.000 unit. Meski begitu, kita tak ingin membicarakan investasi tambahan karena banyak konsekuensinya," ujar Jonfis Fandy, Direktur Pemasaran dan Layanan Purnajual HPM.Jonfis menilai pertumbuhan pasar pada Januari-April 2010 bisa terus berlangsung hingga akhir tahun jika stabilitas perekonomian terjaga. Menurut dia, tak mustahil pasar mobil nasional menciptakan rekor baru, 700.000 unit. HPM memiliki fasilitas perakitan di Karawang, Jawa Barat, yang memproduksi Jazz, Freed, dan CR-V. Selain untuk pasar domestik, HPM juga mengekspor Freed ke Thailand dan Malaysia.
b. Sejarah Mesin Diesel Rudolf Diesel (18 Maret 1858 - 30 September 1913) adalah seorang penemu Jerman, terkenal akan penemuannya, mesin diesel, Dia lahir di Paris dan meninggal secara misterius di kapal fery dalam perjalanannya ke Inggris. Diesel mengembangkan ide sebuah mesin pemicu kompresi pada dekade terakhir abad ke19 dan menerima hak paten untuk alat tersebut pada 23 Februari 1893. Dia membangun prototipe yang berfungsi pada awal 1897 ketika bekerja di pabrik MAN di Augsburg. Padahal jaman itu (akhir abad 19 dan awal abad 20) belum ada orang yang berfikir tentang krisis energi minyak, apalagi global warming. Sedemikian hebatnya itu mesin, membuat pesaing-pesaingnya di dunia otomotif gigit jari. Hingga di bulan September 1913, Diesel hilang secara misterius dari kabin kamarnya di kapal SS Dresden saat bepergian dari Jerman ke Inggris. Baru lima hari kemudian mayatnya ditemukan terapung di Sungai Scheldt (Jerman). Tak seorang pun bisa menyibak misteri di balik kematian Diesel tersebut.
5
Beberapa tahun kemudian, tepatnya tahun 1937 di Jepang, berdirilah sebuah pabrik mesin bernama Tokyo Jidosha Kogyo Company yang sekarang berganti nama menjadi Isuzu, yang line produknya adalah Mesin Diesel. Konon salah seorang murid/asisten Diesel berhasil mengcopy seluruh desain rancang bangun mesin tersebut dan mengembangkannya di Jepang atas perintah Kaisar Tenno Haika Hirohito untuk menjalankan mesin perangnya di Asia Pasifik. Selama Perang Dunia II, Jepang membumi hanguskan semua sumur minyak milik kolonial Belanda, Inggris dan Perancis di Asia Tenggara. Namun, di sisi lain, Jepang juga memerintahkan anak jajahannya untuk menanam jarak pagar, yang bijinya diperas untuk dijadikan biodiesel yang menggerakkan tank dan kapal perang mereka. Para tentara Jepang dengan mesin perang yang bermesin diesel hampir tak terkalahkan oleh Amerika Serikat. Hanya 4 buah bom atom di Hiroshima dan Nagasakilah yang mampu menghentikan laju gerak pasukan bersepatu karet tersebut melibas Asia-Pasifik. Sementara Jendral Douglas MacArthur tergopohgopoh balik menyerang dengan risiko kekurangan suplai minyak bensin di sepanjang jalur penyerangannya di Pasifik Selatan, yang bisa dikatakan mendahulukan merebut sumur-sumur minyak di Papua, Sulawesi dan Kalimantan. Makanya tidak perlu heran kenapa mesin diesel masih berbahan bakar solar, bukan minyak jarak atau minyak kelapa sawit. Semua dikareakan para pelaku industri minyak tidak mau rugi dan digulung oleh petani kacang, kelapa sawit dan jarak pagar. Pada saat menerima hak paten atas mesin ciptaannya di Pekan Raya Paris 1912, Rudolf Diesel menyampaikan pidato yang sangat-sangat berarti di era Global Warming saat ini: “Der Gebrauch von Pflanzenöl als Krafstoff mag heute unbedeuntend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit obenso wichtig werden wie Petroleum und diese Kohle-Teer-Produkte von heute.” (Pemakaian minyak nabati sebagai bahan bakar untuk saat ini sepertinya tidak berarti, tetapi pada saatnya nanti akan menjadi penting, sebagaimana minyak bumi dan produk tir-batubara saat sekarang).
6
B. Definisi Mesin Otto dan Mesin Diesel a. Definisi Mesin Otto Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi, sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi). Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis. Mesin bensin berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan udara, dan mesin bensin selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran. Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar disuntikan ke dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur dengan udara yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya. Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan. Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi, keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar seproporsional mungkin, Hal ini dsebut EFI.
b. Definisi Mesin Diesel Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi, sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi). Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk 7
menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis. Mesin bensin berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan udara, dan mesin bensin selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran. Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar disuntikan ke dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur dengan udara yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya. Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk mesin bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan. Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi, keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar seproporsional mungkin. Hal ini dsebut EFI.
Bagaimana mesin diesel bekerja Diagram siklus termodinamika sebuah mesin diesel ideal. Urutan kerja mesin diesel berurutan dari nomor 1-4 searah jarum jam. Dalam siklus mesin diesel, pembakaran terjadi dalam tekanan tetap dan pembuangan terjadi dalam volume tetap. Tenaga yang dihasilkan setiap siklus ini adalah area di dalam garis siklus. Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. 8
Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect injection). Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan. Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen : Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger. Intercooler untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar. Udara yang panas volumenya akan mengembang begitu juga sebaliknya, maka dengan didinginkan bertujuan supaya udara yang menempati ruang bakar bisa lebih banyak. Mesin diesel sulit untuk hidup pada saat mesin dalam kondisi dingin. Beberapa mesin menggunakan pemanas elektronik kecil yang disebut busi menyala (spark/glow plug) di dalam silinder untuk memanaskan ruang bakar sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas "resistive grid" dalam "intake manifold" untuk menghangatkan udara masuk sampai mesin mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin. Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan meningkatkan viscositas dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat memengaruhi sistem bahan bakar dari tanki sampai nozzle, membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin menjadi sulit. Cara umum yang dipakai adalah untuk memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara elektronik. 9
Untuk aplikasi generator listrik, komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang mengontrol suplai bahan bakar agar putaran mesin selalu pada putaran yang diinginkan. Apabila putaran mesin turun terlalu banyak kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun sehingga peralatan listrik tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya, sedangkan apabila putaran mesin terlalu tinggi maka dapat mengakibatkan over voltage yang bisa merusak peralatan listrik. Mesin diesel modern menggunakan pengontrolan elektronik canggih untuk mencapai tujuan ini melalui modul kontrol elektronik (ECM) atau unit kontrol elektronik (ECU) - yang merupakan "komputer" dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidraulik untuk mengatur kecepatan mesin.
C. Klasifikasi Mesin a. Mesin Otto Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Mesin bensin dibagi menjadi dua, yaitu mesin dua tak dan mesin empat tak.
Mesin dua tak adalah mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk sekali pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak 10
digunakan pada motor-motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran dari oli pelumas. Mesin empat tak memerlukan empat kali gerakan piston untuk sekali pembakaran. Pada motor-motor besar biasa menggunakan mesin empat tak. Akan tetapi, sekarang banyak motor-motor kecil bermesin empat tak. Mesin jenis ini sedikit menghasilkan sisa pembakaran karena bahan bakarnya hanya bensin murni.
Gambar di atas merupakan mesin pembakaran dalam empat langkah (empat tak). Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut diulangi kembali. Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika busi 11
memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat adanya gesekan. Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap).
b. Mesin Diesel Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine. Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari. Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap memasuki turbin pada temperatur 565 °C (batas ketahanan stainless steel) dan kondenser bertemperatur sekitar 30°C. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik sebesar 42%.
12
Gambar Mesin Diesel (Siklus Rankine)
Gambar ini menunjukkan siklus diesel ideal (sempurna). Mula-mula udara ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik (injector) menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (da). Asumsi yang digunakan pada siklus diesel ini sama dengan pada siklus Otto, kecuali langkah penambahan panas. Pada siklus diesel langkah 2-3 merupakan penambahan panas pada tekanan konstan.
D. Siklus Otto dan Diesel a. Siklus Otto Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Niklaus August Otto (18321891) adalah seorang penemu berkebangsaan Jerman yang pada tahun 1876 menciptakan mesin dengan empat dorongan pembakaran.
13
Siklus Otto adalah siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian-nyala bunga api. Pada mesin pembakaran dengan sistem pengapian-nyala ini, campuran bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga api dari busi. Piston bergerak dalam empat langkah (disebut juga mesin dua siklus) dalam silinder, sedangkan poros engkol berputar dua kali untuk setiap siklus termodinamika. Mesin seperti ini disebut mesin pembakaran internal empat langkah.
1. Campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi / compression stroke). 2.
Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran
meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (power stroke). 3. Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan / exhaust stroke). 4. Katup masukan terbuka lagi, campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan / intake stroke). Selanjutnya ke-empat langkah diulang kembali.
Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 proses thermodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs temperatur (V) berikut:
14
Keterangan: Langkah 0-1 adalah langkah isap. Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder. Langkah 1-2 adalah langkah pemampatan. campuran udara dan uap bensin ditekan secara adiabatik Garis 2-3 adalah pembakaran secara cepat yang menghasilkan pemanasan gas pada volume konstan. Campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan campuran dibakar. Langkah 3-4 adalah langkah ekspansi gas panas. Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik Sedang segmen 4-1 turunnya tekanan secara tiba-tiba karena dibukanya katup buang. Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder. Setelah itu gas dibuang pada langkah 1-0 Maksud siklus seperti pada gambar di atas beserta penjelasannya adalah sebagai berikut: 1. Langkah isap (0-1) dan langkah buang (1-0) dianggap sebagai proses tekanan tetap. 15
2. Langkah pemampatan (1-2) dianggap berlangsung secara adiabatik, karena proses tersebut berlangsung sangat cepat sehingga dianggap tidak ada panas yang sempat keluar sistem. 3. Proses pembakaran (garis 2-3) dianggap sebagai pemasukan (pengisian) kalor pada volume konstan. 4. Langkah kerja (3-4) dianggap juga berlangsung adiabatik. Penjelasan sama dengan nomor 2. 5. Proses penurunan tekanan karena pembukaan katup buang (garis 41) dianggap sebagai pengeluaran (pembuangan) kalor pada volume tetap. 6. Fluida kerja dianggap gas ideal sehingga memenuhi hukum-hukum gas ideal. Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika si busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga. Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di bawah. (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin).
MESIN 2 TAK Pada prinsipnya motor bakar 2 langkah (2 tak) melakukan siklus Otto hanya dalam dua langkah piston atau satu putaran poros engkol. Penemuan motor bakar 2 tak sukses oleh Sir Dougald Clerk tahun 1876. Ada 2 langkah saat mesin 2 tak beroperasi.
16
Langkah pertama: Piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati Bawah). Pada saat piston bergerak dari TMA ke TMB, maka akan menekan ruang bilas yang berada di bawah piston.
Semakin
jauh
piston
meninggalkan TMA menuju TMB, tekanan di ruang bilas semakin meningkat. Pada titik tertentu, piston (ring piston) akan melewati lubang pembuangan gas dan lubang pemasukan gas. Pada saat ring piston melewati lubang pembuangan, gas di dalam ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan. Pada saat ring piston melewati lubang pemasukan, gas yang tertekan dalam ruang bilas akan terpompa masuk
dalam
ruang
bakar
sekaligus mendiring gas yang ada dalam ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan. Piston terus menekan ruang bilas sampai titik TMB, sekaligus memompa gas dalam ruang bilas masuk ke dalam ruang bakar.
Langkah kedua: Piston bergerak dari TMB ke TMA. Pada saat piston bergerak dari TMB ke TMA, maka akan menghisap gas hasil pencampuran udara, bahan bakar dan pelumas masuk ke dalam ruang bilas. Percampuran ini dilakukan oleh karburator sistem injeksi. Saat melewati lubang pemasukan dan lubang pembuangan, piston akan mengkompresi gas yang terjebak dalam ruang bakar. Piston akan terus mengkompresi gas dalam ruang bakar sampai TMA. Beberapa saat sebelum piston sampai di TMA, busi menyala untuk membakar gas dalam ruang bakar. Waktu nyala busi sebelum piston sampai TMA dengan tujuan agar puncak tekanan dalam ruang bakar akibat pembakaran terjadi saat piston mulai bergerak dari TMA ke TMB karena proses pembakaran sendiri memerlukan waktu dari mulai nyala busi sampai gas terbakar dengan sempurna. 17
MESIN 4 TAK Mesin 4 tak adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi empat langkah piston (hisap, tekan, bakar, buang). Langkah pertama: Piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katup masuk terbuka dan katup keluar tertutup,
mengakibatkan gas atau udara
terhisap masuk ke dalam ruang bakar. Langkah kedua: Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk dan keluar tertutup, mengakibatkan udara
atau
gas
dalam
ruang bakar terkompresi. Beberapa saat sebelum piston sampai pada posisi TMA,
waktu penyalaan bunga api terjadi, pada
mesin bensin berupa nyala busi. Langkah ketiga: Gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan tekanan dalam ruang bakar,
mengakiBatkan piston terdorong
dari TMA ke TMB. Langkah ini adalah proses langkah pembakaran. Langkah keempat:
Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk tertutup dan katup keluar terbuka,
mengakibatkan
pembakaran terdorong keluar Atau yang
gas
hasil
menuju saluran pembuangan.
disebut proses buang.
Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 buah proses thermodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs temperatur (V) berikut:
18
Proses yang terjadi adalah : 1-2 : Kompresi adiabatis 2-3 : Pembakaran isokhorik 3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis 4-1 : Langkah buang isokhorik Beberapa rumus yang digunakan untuk menganalisa sebuah siklus Otto adalah sebagai berikut : 1. Proses Kompresi Adiabatis
4. Kerja Siklus
T2/T1 = r(k-1) ; p2/p1 = rk
W = Cv [(T3 - T2) - (T4 - T1)]
2. Proses Pembakaran Isokhorik
5. Tekanan Efektif Rata-rata (Mean Effective Pressure)
T3 = T2 + (f x Q / Cv) ; p3 = p2 ( T3 / T2)
pme = W / (V1 – V2)
3. Proses Ekspansi / Langkah
6. Daya Indikasi Motor
Kerja Pe = pme . n . i . (V1-V2) . z T4/T3 = r (1-k) ; p4/p3 = r(-k)
19
Dimana parameter – parameternya adalah : p = Tekanan gas (Kg/m^3) T = Temperatur gas (K; Kelvin) V = Volume gas (m^3) r = Rasio kompresi (V1 – V2) Cv = Panas jenis gas pada volume tetap ( kj/kg K) k = Rasio panas jenis gas (Cp/Cv) f = Rasio bahan bakar / udara Q = Nilai panas bahan bakar (kj/kg) W = Kerja (Joule) n = Putaran mesin per detik (rps) i = Index pengali; i=1 untuk 2 tak dan i=0.5 untuk 4 tak z = Jumlah silinder P = Daya ( Watt )
b. Siklus Diesel Ditemukan pada tahun 1890 oleh seorang berkebangsaan Jerman yaitu Rudolph Diesel. Sama halnya dengan siklus otto, siklus diesel merupakan siklus bolak-balik (reciprocating), namun pada siklus ini terdapat pengapian kompresi yang berbeda dengan siklus otto (menggunakan spark plug). Pada siklus diesel ini spark plug dan karburator digantikan oleh injektor bahan bakar. Siklus diesel dapat dirancang dengan rasio kompresi yang tinggi (pada umumnya 12-24). Diagram perbandingan T-S dan P-V dapat dilihat pada gambar: 20
Berbeda pada siklus otto, siklus diesel terdapat rasio pancung (cutoff ratio) yang terjadi pada proses pembakaran seperti yang terlihat pada diagram diatas proses 2-3. Untuk proses pada siklus diesel 4 langkah dapat dilihat pada gambar:
Pada gambar pertama (kiri ke kanan) merupakan langkah kompresi setelah udara masuk ke dalam ruang bakar. Udara ini dikompresi hingga mempunyai tekanan yang sangat tinggi sekali. Pada gambar kedua merupakan proses injeksi bahan bakar. Akibat tekanan udara yang sangat tinggi sekali dan injeksi dari bahan bakar tersebut menyebabkan terjadinya pembakaran. Pada gambar ketiga merupakan langkah tenaga dimana akibat ledakan dari pembakaran tadi piston didorong ke bawah dan menyebabkan terjadinya daya/power. Pada gambar keempat merupakan langkah buang, dimana sisa dari pembakaran dibuang ke lingkungan. Untuk kompresi rasio yang sama siklus diesel mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan siklus otto. Adapun rumus untuk mencari efisiensi siklus diesel adalah: 21
Efisiensi siklus diesel yang tinggi menyebabkan siklus ini digunakan untuk mesin-mesin dengan kapasitas besar. Seperti yang terdapat pada truk, lokomotif, mesin kapal, dan pembangkit tenaga listrik darurat (genset).
E. Perbedaan siklus otto dan siklus diesel 2 tak Mesin yang ditemukan oleh Rudolf Diesel (8158-1913) konsturksinya tidak berbeda jauh dengan mesin bensin yang dikenal dengan sebutan mesin otto.beberapa bagian komponennya punya tugas yang sama dengan mesin bensin,seperti blok slinder, poros engkol, poros bubungan, asembli torak, dan mekanisme pengerak katupnya.perbedaan motor diesel dan motor bensin adalah cara pemberian dan penyalaan bahan bakarnya; perbandingan kompressi; disain komponen.
1. Cara pemberian dan penyalaan Bahan bakar Perbedaan utama terletak pada bagaimana memulai sesuatu pembakaran dalam ruang silinder.mesin besin mengawali pembkaran dengan disuplainya listrik tegangan tinggi, sehingga menimbulkan percikan bunga api di antara celah busi untuk memulai pembakaran gas.motor diesel memanfaatkan udara yang dikompresi untuk memulai pembakaran bahan bakar solar.Dengan perbandingan kompresinya sangat tinggi sampai berkisar 22 : 1, akibatnya tekanan naik secara mendadak (berlangsung dalam beberapa milidetik) suhunya dapat mencapai 900-1000 derajat celcius. Suhu setinggi itu dapat menyalakan bahan bakar solar. Menjelang akhir langkah kompresi, solar disemprotkan ke udara Yang sangat panas itu. Akibatnya, bahan bakar langsung terbakar sebab titik nyala solar sendiri Cuma 4000 Celcius. Karena pembakaran terjadi akibat tekanan kompresi yang sangat tinggi tadi,maka mesi diesel di sebut juga mesin penyalaan kompresi (compression igniton engine). Sedangkan mesin bensin di kenal dengan 22
mesin penyalaan bunga api (spark ignition engine). Dalam mesin bensin bahan bakar dan udara dicampur di luar slinder yaitu dalam karburator dan saluran masuk (manifold). Sebaliknya mesin diesel tidak ada campuran pendahuluan udara dan bahan bakar di luar silinder, hanya udara yang diterima ke dalam slinder melalui saluran masuk.
2. Perbandingan Kompresi mesin diesel dan Bensin Perbandingan kompresi adalah perbandingan volume udara dalam silinder sebelum langkah kompresi dengan volume sesudah langkah kompresi. Perbandingan kompresi untuk motor-motor bensin adalah berkisar 8:1 sedangkan perbandingan yang umum untuk motormotor diesel adalah 16-22:1. Perbandingan kompresi yang timggi pada motor diesel menimbulakan kenaikan suhu udara cukup tinggi untuk menyalakan bahan bakar tanpa ada letikan bunag api. Hal ini menyebabkan motor diesel mempunyai efisiensi yang besar sebab kompresi yang tinggi menghasilkan pemuaian yang besar dari gas-gas hasil pembakaran dalam silinder. Karena itu tenaganya sangat kuat. Efisiensi tinggi yang dihasilkan pembakaran motor diesel harus diimbangi dengan kekuatan komponen-komponennya agar dapat menahan gaya-gaya pembakaran yang sangat besar.
3. Desain Komponen Mesin Diesel dan Bensin Sudah dikatakan bahwa mesin diesel haruslah dibuat kokoh dan kuat untuk dapat menahan gaya pembakaran yang sangat besar. Pada umumnya bagian-bagian yang dikuatkan adalah torak, pena torak,batang penghubung, dan poros engkol serta sejumlah bantalan utama untuk mendukung poros engkol.
4. Perbedaan langkah ICE 2 tak dan ICE 4 tak ? Jika mesin 4 tak memerlukan 2 putaran crankshaft dalam satu siklus kerjanya, maka untuk mesin 2-tak hanya memerlukan satu putaran saja. Hal ini berarti dalam satu siklus kerja 2 tak hanya terdiri dari 1 kali gerakan naik dan 1 gerakan turun dari piston saja. Desain 23
dari ruang bakar mesin 2 tak memungkinkan terjadunya hal semacam itu. Ketika piston naik menuju TMA untuk melakukan kompresi maka katup hisap terbuka ( lihat gambar di bawah) dan masuklah campuran bahan bakar dan udara, sehingga dalam satu gerakan piston dari TMB ke TMA menjalankan dua langkah sekaligus yaitu kompresi dan isap. Pada saat sesaat sebelum piston mencapai TMA maka busi menyala, gas campuran meledak dan memaksa piston kembali bergerak ke bawah menuju TMB. Gerakan piston yang ini disebut langkah ekspansi. Namun sembari piston melakukan langkah ekspansi atau usaha, sesungguhnya juga melakukan langkah buang melalui katup buang (sisi kanan dinding silinder pada gambar) . Hal ini bisa terjadi karena gas hasil pembakaran terdorong keluar akibat campuran bahan bakar dan udara baru yang juga masuk dari sisi kiri dinding silinder. Jadi, kenapa motor dengan mesin 2 tak harus memakai oli pelumas samping selain pelumas mesin sudah jelas, karena model kerja yang seperti itu membuat tenaga yang dihasilkan lebih besar. Perbandingannya pada mesin 4 tak dalam 2 kali putaran crankcase = 1 x kerja sedangkan untuk 2 tak 2 kali putaran crankcase = 2 x kerja. Untuk itu, dibutuhkan pelumas yang lebih karena putaran yang dihasilkan lebih cepat. Hal itu juga menjawab kenapa mesin 2 tak lebih berisik ,boros bahan bakar, menghasilkan asap putih dari knalpotnya tetapi unggul dalam kecepatan dibandingkan mesin 4 tak. Istilahnya “No Engine is Perfect !” Perbedaan yang lain juga terdapat pada bentuk fisik pistonnya. Piston 2 tak lebih panjang dibanding piston 4 tak. Selain itu bentuk piston head nya juga lain, piston 2 tak memiliki semacam kubah untuk memuluskan gas buang untuk bisa keluar sedangkan 4 tak tidak. Piston 2 tak juga memiliki slot lubang yang berhubungan dengan reed valve yang berhubungan dengan cara kerja masukan campuran bahan bakar – udara ke ruang bakar. Sedangkan Mesin dua tak adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus pembakaran terjadi dua langkah piston, berbeda dengan putaran empat-tak yang mempunyai empat langkah piston dalam satu siklus pembakaran, meskipun keempat proses (intake, kompresi, tenaga, pembuangan) juga terjadi. Mesin dua tak juga telah 24
digunakan dalam mesin diesel, terutama rancangan piston berlawanan, kendaraan kecepatan rendah seperti mesin kapal besar, dan mesin V8 untuk truk dan kendaraan berat lainnya.
25
