BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.3 Motor otto Empat Langkah
2.3.1 Siklus Ideal Motor Otto Empat Langkah
Proses termodinamika dan kimia yang terjadi di dalam motor bakar sangat kompleks untuk di analisa menurut teori. Untuk memudahkan teori tersebut diasumsikan suatu keadaan yang ideal. Tetapi makin ideal suatu keadaan maka akan semakin jauh menyimpang dari keadaan sebenarnya. Pada umumnya untuk menganalisa motor bakar digunakan siklus udara sebagai siklus yang ideal. Siklus udara menggunakan beberapa keadaan yang sama dengan siklus sebenarnya misalnya mengenai:
• Urutan proses
• Perbandingan kompresi
• Pemilihan temperatur dan tekanan pada suatu keadaan dan • Penambahan kalor yang sama per satuan berat udara.
Pada mesin yang ideal proses pembakaran yang dapat menghasilkan gas bertekanan dan bertemperatur tinggi itu dimisalkan sebagai proses pemasukan panas ke dalam fluida kerja di dalam silinder.
Siklus udara volume konstan (siklus otto)dapat digambarkan dengan grafik PV seperti terlihat pada gambar 2.7
Gambar 2.7 Diagram P vs V siklus volume konstan
Sumber : Wiranto Arismunandar, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 15
Keterangan:
P = Tekanan Fluida kerja (kg/cm2) VL= volume langkah torak (m3ataucm3) V = Volume spesifik (m3/kg) VS =Volume sisa (m3atau cm3) qm= Jumlah kalor yang masuk (kcal/kg) TMA =Titik mati atas
Sifat ideal yang digunakan serta keterangan mengenai proses siklusnya adalah sebagai berikut:
1. Fluida kerja dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan.
2. Langkah hisap (0-1) merupakan proses tekanan konstan 3. Langkah kompresi (1-2) ialah proses isentropic
4. Proses pembakaran pada volume konstan (2-3) dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.
5. Langkah kerja (3-4) ialah proses isentropic
6. Proses pembuangan (4-1) dianggap sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan
7. Langkah buang (1-0) ialah proses tekanan konstan
8. Siklus dianggap tertutup, artinya siklus ini berlangsung dengan fluida kerja yang sama
2.3.2 Prinsip Kerja Motor Empat Langkah
Motor Otto empat langkah / motor bensin menghisap campuran udara dan bensin sebagai bahan bakar pada saat terjadi langkah hisap . Terjadi perubahan tekanan pada proses kerja di dalam ruang di atas piston. Bila piston berada di TMB, volume ruang ini adalah yang terbesar yaitu VL+ VS dengan :
VL = Volume langkah VS = Volume ruang sisa
Bila piston berada di TMA, volume ruang di atas piston adalah yang terkecil yaitu VS. Mesin bensin empat langkah menjalani satu siklus yang tersusun atas empat tahap/langkah seperti Gambar 2.8 berikut:
Gambar 2.8 Prinsip kerja mesin 4 Langkah
Sumber : Wiranto Arismunandar, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 8
Keterangan:
KI = Katup isap TMA = Titik mati atas KB = Katup buang TMB = Titik mati bawah a) Langkah hisap
Campuran udara dan bahan bakar dihisap ke dalam ruang bakar.
bergerak dari titik mati atas (TMA) menuju titik mati bawah (TMB). Katup isap terbuka dan katup buang tertutup. Di dalam silinder terjadi kehampaan akibat gerakanpiston kebawah tersebut. Disebabkan karena adanya tahanan aliran yang dialam campuran baru yang mengalir melalui system isap, maka isiannya tidak pernahmencapai 100%. Pada frekuensi putar yang lebih tinggi tekanan tersebut akan semakin rendah sehingga peningkatan daya yang diberikan tidak dapat sebanding dengan frekuensi putarnya.
b) Langkah kompresi
Kedua katup tertutup. Piston bergerak menuju TMA. Sesaat sebelum piston Mencapai TMA, bunga api dipercikan dan bahan bakar mulai terbakar. Pembakaran
terjadi pada volume hampir tetap (dianggap tetap) sampai tekanan maksimum. Mesinbensin memerlukan percikan bunga api (spark) untuk mengawali pembakaran di dalam silinder maka sering disebut spark ignition engine. Bunga api dipercikan dalam ruang bakar sebelum torak mencapai titik mati atas (TMA), sehingga terjadi pembakaran yang diikuti oleh naiknya energi kalor gas dalam ruang bakar. Makin kecil ruang VS terhadap ruang VL akan semakin besar pemampatannya. Hal ini sangat tergantung pada perbandingan pemampatan (perbandingan kompresi).
Perbandingan pemampatan adalah perbandingan antara dua macam volume, yaitu
• Volume di atas piston pada kedudukan TMB
• Volume di atas piston pada kedudukan TMA (Gambar 2.9)
Gambar 2.9 Isi diatas torak ; torak pada TMB, torak pada TMA
Perbandingan Pemampatan dinyatakan dengan symbol r, dalam persamaan menjadi: r = S S L V V V + ...(2.1) c) Langkah Usaha
Setelah mencapai TMA, piston akan didorong oleh gas bertekanan tinggi menuju TMB. Tekanan mekanis ini diteruskan ke poros engkol. Penghentian pembakaran gas terjadi pada TMA atau sedikit sesudahnya. Ini disebabkan oleh pengembangan gas terbesar akibat suhu tertinggi terjadi pada volume terkecil (VC) sehingga piston mendapatkan tekanan terbesar. Sesaat sebelum piston mencapai TMB, katup terbuka, gas hasil pembakaran mengalir keluar dan tekanan dalam ruang bakar turun dengan cepat.
d) Langkah buang
Pada saat ini piston bergerak dari TMB menuju TMA serta mendorong gas di dalam silinder ke saluran buang lewat katup buang. Tidak semua gas bekas dapat dikeluarkan. Ruang bakar yang kecil (VC) atau perbandingan pemampatan yang besar akan memperbaiki keadaan tersebut. Periode overlapping adalah periode dimana katup hisap dan katup buang terbuka secara bersamaan yang dikarenakan perpanjangan pembukaan katup selama proses pengisapan dan pembuangan.
2.3.3 Siklus Sebenarnya Motor Otto Empat Langkah
Dalam kenyataannya terjadi penyimpangan dari siklus udara (ideal) kerena terjadi kerugian antara lain disebabkan karena hal berikut:
1. Kebocoran fluida kerja karena penyekatan oleh cincin torak dan katup tidak sempurna.
2. Pembukaan dan penutupan katup dan kelembaman fluida kerja. Kerugian tersebut dapat diperkecil bila saat pembukaan dan penutupan katup disesuaikan dengan besarnya beban dan kecepatan torak.
3. Fluida kerja bukanlah udara yang dianggap sebagai gas ideal dengan kalor spesifik yang konstan selama proses siklus berlangsung.
4. Pada motor bakar torak yang sebenarnya, pada waktu torak berada di TMA, tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara, kenaikan tekanan dan temperatur fluida kerja disebabkan oleh proses pembakaran bahan bakar dan udara di dalam silinder.
5. Proses pembakaran memerlukan waktu (tidak berlangsung sekaligus). Hal ini mengakibatkan proses pembakaran berlangsung pada volume ruang bakar yang berubah-ubah karena pergerakan torak. Dengan demikian proses pembakaran dimulai beberapa derajat sudut engkol sesudah torak bergerak kembali dari TMA ke TMB. Jadi proses pembakaran tidak berlangsung pada volume konstan. Disamping itu pada kenyataanny tidak pernah terjadi pembakaran sempurna, sehingga daya dan efisiensinya tergantung pada
perbandingan campuran bahan bakar dan udara, kesempurnaan bahan bakar dan udara tersebut bercampur dan timing penyalaan.
6. Terdapat kerugian kalor yang disebabkan oleh perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingin, terutama pada langkah kompresi, ekspansi dan pada waktu gas buang meninggalkan silinder, perpindahan kalor tersebut karena terdapat perbedaan temperatur antara fluida kerja dengan fluida pendingin. Fluida pendingin diperlukan untuk mendinginkan bagian-bagian mesin yang menjadi panas akibat proses pembakaran, untuk mencegah kerusakan pada bagian-bagian tersebut.
7. Terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam silinder ke udara luar. Energi tersebut tidak bisa dipakai untuk melakukan kerja mekanik.
8. Terdapat kerugian karena gesekan antara fluida kerja dengan dinding salurannya.
Berdasarkan hal-hal diatas, bentuk diagram PV dari siklus sebenarnya tidak sama dengan bentuk diagram siklus ideal. Gambar 2.10 Menunjukkan bentuk diagram PV dari sebuah motor torak empat langkah yang sebenarnya.
Gambar 2.10
Hubungan antara diagram pengatur katup dengan grafik tekanan vs volume untuk motor empat langkah.
Sumber : Wiranto Arismunandar, Penggerak Mula Motor Bakar Torak, Halaman 8