Siklus Otto (Bensin)

SIKLUS OTTO

1. 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 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.

2. Pengertian Umum Mesin Bensin

Motor bakar adalah jenis mesin kalor yang termasuk Mesin Pembakaran Dalam (Internal Combustion Engine). Internal Combustion Engine (I.C. Engine) adalah mesin kalor yang mengubah energi kimia bahan bakar menjadi kerja mekanis, yaitu dalam bentuk putaran poros. Energi kimia bahan bakar pertama diubah menjadi energi panas melalui proses pembakaran atau oksidasi dengan udara dalam mesin. Energi panas ini meningkatkan temperatur dan tekanan gas pada ruang bakar. Gas bertekanan tinggi ini kemudian berekspansi melawan mekanisme mekanik mesin. Ekspansi ini diubah oleh mekanisme link menjadi putaran crankshaft, yang merupakan output dari mesin tersebut. Crankshaft selanjutnya dihubungkan ke sistem transmisi oleh sebuah poros untuk mentransmisikan daya atau energi putaran mekanis yang selanjutnya energi ini dimanfaatkan sesuai dengan keperluan.

Siklus Otto pada mesin bensin disebut juga dengan siklus volume konstan, dimana pembakaran terjadi pada saat volume konstan. Pada mesin bensin dengan siklus Otto dikenal dua jenis mesin, yaitu mesin 4 langkah (four stroke) dan 2 langkah (two stroke). Untuk mesin 4 langkah terdapat 4 kali gerakan piston atau 2 kali putaran poros engkol (crank shaft) untuk tiap siklus pembakaran, sedangkan untuk mesin 2 langkah terdapat 2 kali gerakan piston atau 1 kali putaran poros engkol untuk tiap siklus pembakaran. Sementara yang dimaksud langkah adalah gerakan piston dari TMA (Titik Mati Atas) atau TDC (Top Death Center) sampai TMB (Titik Mati Bawah) atau BDC (BottomDeath Center) maupun sebaliknya dari TMB ke TMA.

2.1.

Mesin 2 Langkah

2.1.1. Definisi Mesin 2 langkah

Mesin dua tak adalah mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk sekali pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak digunakan pada motor-motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran dari oli pelumas.

Istilah-istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif yang harus diketahui untuk bisa memahami prinsip kerja mesin ini:

 TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre): Posisi piston berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).

 TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre): Posisi piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).  Ruang bilas yaitu ruangan di bawah piston dimana terdapat poros

engkol (crankshaft). Sering disebut sebagai bak engkol (crankcase) berfungsi gas hasil campuran udara, bahan bakar dan pelumas bisa tercampur lebih merata.

 Pembilasan (scavenging) yaitu proses pengeluaran gas hasil pembakaran dan proses pemasukan gas untuk pembakaran dalam ruang bakar.

a) Langkah 1

Piston bergerak dari TMA ke TMB.

1) Saat bergerak dari TMA ke TMB, piston akan menekan ruang bilas yang berada di bawahnya. Semakin jauh piston meninggalkan TMA menuju TMB akan semakin meningkat pula tekanan di ruang bilas.

2) Pada titik tertentu, piston (ring piston) akan melewati lubang pembuangan gas dan lubang pemasukan gas. Posisi

masing-masing lubang tergantung dari desain perancang. Umumnya ring piston akan melewati lubang pembuangan terlebih dahulu.

3) Pada saat ring piston melewati lubang pembuangan, gas di dalam ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan.

4) Pada saat ring piston melewati lubang pemasukan, gas yang tertekan di dalam ruang bilas akan terpompa masuk ke dalam ruang bakar, sekaligus mendorong keluar gas yang ada di dalam ruang bakar menuju lubang pembuangan.

5) Piston terus menekan ruang bilas sampai titik TMB, sekaligus memompa gas dalam ruang bilas menuju ke dalam ruang bakar.

b) Langkah 2

Piston bergerak dari TMB ke TMA.

1) Saat bergerak dari TMB ke TMA, piston akan menghisap gas hasil percampuran udara, bahan bakar dan pelumas ke dalam ruang bilas. Percampuran ini dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi.

2) Saat melewati lubang pemasukan dan lubang pembuangan, piston akan mengkompresi gas yang terjebak di dalam ruang bakar.

3) Piston akan terus mengkompresi gas dalam ruang bakar sampai TMA.

4) Beberapa saat sebelum piston sampai di TMA (pada mesin bensinbusi akan menyala, sedangkan pada mesin diesel akan menyuntikkan bahan bakar) untuk membakar gas dalam ruang bakar. Waktu nyala busi atau penyuntikan bahan bakar tidak terjadi saat piston sampai ke TMA, melainkan terjadi sebelumnya. Ini dimaksudkan agar puncak tekanan akibat pembakaran dalam ruang bakar bisa terjadi saat piston mulai bergerak dari TMA ke TMB, karena proses pembakaran membutuhkan waktu untuk bisa membuat gas terbakar dengan sempurna oleh nyala api busi atau dengan suntikan bahan bakar.

2.1.3. Kelebihan dan Kekurangan Mesin 2 Langkah

a) Kelebihan Mesin Dua Tak

Dibandingkan mesin empat tak, mesin dua tak memiliki beberapa kelebihan:

1) Hasil tenaganya lebih besar dibandingkan mesin empat tak.

2) Mesin dua tak lebih kecil dan ringan dibandingkan mesin empat tak.

 Kombinasi kedua kelebihan di atas menjadikan rasio berat terhadap tenaga (power to weight ratio) mesin dua tak lebih baik dibandingkan mesin empat tak.

3) Mesin dua tak lebih murah biaya produksinya karena konstruksinya yang sederhana.

Meskipun memiliki berbagai kelebihan, mesin ini sudah jarang digunakan dalam kendaraan-kendaraan terutama kendaraan mobil dikarenakan oleh beberapa kekurangan.

b) Kekurangan Mesin Dua Tak

Kekurangan mesin dua tak dibandingkan mesin empat tak:

1) Efisiensi bahan bakar mesin dua tak lebih rendah dibandingkan mesin empat tak (boros).

2) Mesin dua tak memerlukan percampuran oli dengan bahan bakar (oli samping/two stroke oil) untuk pelumasan silinder mesin.

 Kedua hal di atas mengakibatkan biaya operasional mesin dua tak menjadi lebih lebih tinggi dibandingkan biaya operasional mesin empat tak.

3) Mesin dua tak menghasilkan polusi udara lebih banyak. Polusi terjadi dari pembakaran oli samping dan gas dari ruang bilas yang lolos/bocor dan masuk langsung ke lubang pembuangan.

4) Pelumasan mesin dua tak tidak sebaik mesin empat tak. Ini mengakibatkan usia suku cadang dalam komponen ruang bakar relatif lebih singkat.

2.2. Mesin

4 Langkah

2.2.1. Definisi Mesin 4 Langkah

Motor bakar empat langkah adalah mesin pembakaran dalam, yang dalam satu kali siklus pembakaran akan mengalami empat langkah piston.

Sekarang ini, mesin pembakaran dalam pada mobil, sepeda motor, truk, pesawat terbang, kapal, alat berat dan sebagainya, umumnya menggunakan siklus empat langkah. Empat langkah tersebut meliputi langkah hisap (pemasukan), kompresi, tenaga dan langkah buang. Yang secara keseluruhan memerlukan dua putaran poros engkol (crankshaft) per satu siklus pada mesin bensin atau mesin diesel.

2.2.2. Prinsip Kerja Mesin 4 Langkah

Istilah-istilah baku yang berlaku dalam teknik otomotif yang harus diketahui untuk bisa memahami prinsip kerja mesin ini:

 TMA (titik mati atas) atau TDC (top dead centre): Posisi piston

berada pada titik paling atas dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling jauh dari poros engkol (crankshaft).

 TMB (titik mati bawah) atau BDC (bottom dead centre): Posisi

piston berada pada titik paling bawah dalam silinder mesin atau piston berada pada titik paling dekat dengan poros engkol (crankshaft).

a) Langkah 1

Piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katup masuk terbuka dan katup keluar tertutup, mengakibatkan udara (mesin diesel) atau gas (sebagian besar mesin bensin) terhisap masuk ke dalam ruang bakar. Proses udara atau gas sebelum masuk ke ruang bakar dapat

b) Langkah 2

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 (timing ignition) terjadi (pada mesin bensin

berupa nyala busi sedangkan pada mesin diesel berupa semprotan (suntikan) bahan bakar).

c) Langkah 3

Gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan tekanan dalam ruang bakar, mengakibatkan piston terdorong dari TMA ke TMB. Langkah ini adalah proses yang akan menghasilkan tenaga.

d) Langkah 4

Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk tertutup dan katup keluar terbuka, mendorong sisa gas pembakaran menuju ke katup keluar yang sedang terbuka untuk diteruskan ke lubang pembuangan.

Proses termodinamika dan kimia yang terjadi dalam motor bakar torak sangat kompleks untuk dianalisa menurut teori. Untuk memudahkan menganalisanya perlu membayangkan suatu keadaan yang ideal. Makin ideal suatu keadaan makin mudah untuk dianalisa, akan tetapi dengan sendirinya semakin jauh menyimpang dari keadaan sebenarnya.

Pada umumnya untuk menganalisa motor bakar torak dipergunakan siklus udara sebagai siklus yang ideal. Siklus udara menggunakan beberapa keadaan yang sama dengan siklus sebenarnya dalam hal sebagai berikut :

a) Urutan proses

b) Perbandingan kompresi

c) Pemilihan temperatur dan tekanan pada suatu keadaan d) Penambahan kalor yang sama per satuan berat udara

Di dalam analisis udara, khususnya motor bakar torak akan dibahas:

1. Siklus udara volume konstan (siklus otto)

2. Siklus udara tekanan konstan (siklus diesel)

3. Siklus udara tekanan terbatas (siklus gabungan)

3.1. Siklus

Otto

3.1.1. Pengertian Siklus Otto

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.

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.

Siklus udara volume konstan atau siklus otto adalah proses yang ideal. Dalam kenyataannya baik siklus volume konstan, siklus tekanan konstan dan siklus gabungan tidak mungkin dilaksanakan, karena adanya beberapa hal sebagai berikut :

1. Fluida kerja bukanlah udara yang bisa dianggap sebagai gas ideal, karena fluida kerja di sini adalah campuran bahan bakar (premium) dan udara, sehingga tentu saja sifatnya pun berbeda dengan sifat gas ideal.

2. Kebocoran fluida kerja pada katup (valve), baik katup masuk maupun katup buang, juga kebocoran pada piston dan dinding silinder, yang menyebabkan tidak optimalnya proses.

3. Baik katup masuk maupun katup buang tidak dibuka dan ditutup tepat pada saat piston berada pada posisi TMA dan atau TMB, karena pertimbangan dinamika mekanisme katup dan kelembaman fluida kerja. Kerugian ini dapat diperkecil bila saat pembukaan dan

penutupan katup disesuaikan dengan besarnya beban dan kecepatan torak.

4. Pada motor bakar torak yang sebenarnya, saat torak berada di TMA tidak terdapat proses pemasukan kalor seperti pada siklus udara. Kenaikan tekanan dan temperatur fluida kerja disebabkan oleh proses pembakaran campuran udara dan bahan bakar dalam silinder.

5. Proses pembakaran memerlukan waktu untuk perambatan nyala apinya, akibatnya proses pembakaran berlangsung pada kondisi volume ruang yang berubah-ubah sesuai gerakan piston. Dengan demikian proses pembakaran harus dimulai beberapa derajat sudut engkol sebelum torak mencapai TMA dan berakhir beberapa derajat sudut engkol sesudah TMA menuju TMB. Jadi proses pembakaran tidak dapat berlangsung pada volume atau tekanan yang konstan.

6. Terdapat kerugian akibat perpindahan kalor dari fluida kerja ke fluida pendingin, misalnya oli, terutama saat proses kompresi, ekspansi dan waktu gas buang meninggalkan silinder. Perpindahan kalor tersebut terjadi karena ada perbedaan temperatur antara fluida kerja dan fluida pendingin.

7. Adanya kerugian energi akibat adanya gesekan antara fluida kerja dengan dinding silinder dan mesin.

Terdapat kerugian energi kalor yang dibawa oleh gas buang dari dalam silinder ke atmosfer sekitarnya. Energi tersebut tidak dapat dimanfaatkan

untuk kerja mekanik. Siklus aktual motor bensin ditunjukan pada Gambar berikut

Skema diatas memperlihatkan setiap langkah piston dan pernyataan

prosesnya pada diagram P-v untuk kondisi aktual mesin pengapian-nyala empat langkah. Dari skema di atas tersebut, kondisi awal kedua katup hisap dan buang dalam keadaan tertutup sedangkan piston pada posisi terendahnya yaitu pada titik mati bawah (Bottom Dead Center/BDC). Selama langkah kompresi, piston bergerak ke atas di mana campuran udara-bahan bakar dikompresi. Sesaat sebelum piston mencapai posisi tertingginya yaitu titik mati atas (Top Dead Center/TDC) percikan bunga api ditimbulkan oleh busi sehingga membakar campuran yang kemudian menaikkan tekanan dan temperatur sistem.

Tekanan gas yang tinggi tersebut mendorong piston ke bawah sehingga menyebabkan poros engkol berputar, selama langkah usaha (langkah ekspansi) ini dihasilkan kerja keluaran yang bermanfaat. Pada ujung langkah ini, piston pada posisi terendahnya untuk menyelesaikan siklus yang pertama (mesin satu siklus), sehingga isi silindernya berupa

sisa pembakaran. Piston bergerak kembali ke atas membersihkan gas buang melalui katup buang (langkah pembuangan), kemudian piston turun kembali ke bawah mengambil campuran udara-bahan bakar yang baru melalui katup hisap (langkah hisap). Sebagai catatan bahwa tekanan dalam silinder di atas tekanan lingkungan saat langkah buang dan berada di bawah tekanan lingkungan saat langkah hisap.

Analisis termodinamika untuk kondisi aktual tersebut dapat disederhanakan bila digunakan asumsi udara-standar yang berlaku sebagai gas-ideal. Karenaitu, siklus untuk kondisi aktual dimodifikasi menjadi sistem tertutup yang disebut sebagai siklus Otto ideal. Skema dan pernyataan prosesnya pada diagram P-v dan T-s seperti terlihat pada gambar berikut

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) seperti yang terlihat pada gambar diatas.

Adapun siklus disamping ini adalah sebagai berikut:

1. Langkah 0 – 1 adalah langkah hisap, yang terjadi pada tekanan (P) konstan.

2. Langkah 1 – 2 adalah langkah kompresi, pada kondisi isentropik.

3. Langkah 2 – 3 adalah dianggap sebagai proses pemasukan kalor pada volume konstan.

4. Langkah 3 – 4 adalah proses ekspansi, yang terjadi secara isentropik.

5. Langkah 4 – 1 adalah langkah pengeluaran kalor pada volume konstan.

6. Langkah 1 – 0 adalah proses tekanan konstan. 3.1.2. Persamaan Siklus Otto

Siklus udara standar Otto adalah siklus ideal yang mengasumsikan penambahan kalor terjadi secara spontan pada kedudukan piston di TMA. Siklus Otto diperlihatkan pada gambar 3. ditunjukkan oleh diagram p - v dan T - s. Siklus terdiri dari 4 proses reversibel internal yang berurutan.

Gambar Diagram p – v dan T – s untuk siklus Otto standar udara.

Proses 1 – 2 :adalah kompresi isentropik udara ketika piston bergerak dari TMB ke TMA.

Proses 2 – 3 :adalah perpindahan kalor ke udara pada volume konstan yang diambil dari sumber luar ketika piston berada pada TMA. Proses ini dimaksudkan untuk mewakili proses pembakaran campuran udara-bahan bakar.

Proses 3 – 4 :adalah proses ekspansi isentropik (langkah kerja).

Proses 4 – 1 :adalah proses volume konstan dimana kalor dibuang dari udara ketika piston berada pada TMB.

Karena siklus standar udara Otto (selanjutnya disebut siklus Otto) terdiri dari proses reversibel, maka luas daerah pada diagram T- S dan P-V masing-masing bisa dinterpretasikan sebagai kalor dan kerja. Pada diagram T-S daerah 2-3-a-b-2 mewakili kalor yang ditambahkan per satuan massa dan daerah 1-4-a-b-1 adalah kalor yang dilepaskan per satuan massa. Pada diagram P-V daerah 1-2-a-b-1

mewakili kerja input per satuan massa selama proses kompresi dan daerah 3-4-b-a-3 adalah kerja yang dihasilkan per satuan massa pada proses ekspansi

Dengan mengabaikan energi kinetik dan potensial, maka siklus Otto yang mempunyai dua langkah kerja dan dua langkah dimana terjadi perpindahan kalor bisa dirumuskan

Dalam menganalisis siklus sering lebih menyenangkan untuk menuliskan semua kerja dan perpindahan kalor sebagai jumlah yang positif (tanda positif) yang karena itu penulisan W1,2 /m adalah positif dan mewakili kerja input selama kompresi dan Q4,1/m adalah bilangan positif dan mewakili kalor yang dilepaskan pada proses 4-1.

Kerja bersih siklus dinyatakan sebagai :

atau dengan cara lain :

Wsiklus m = W_3,4 m − W_1,2 m =

(

U3−U4

)

−(U2−U1) Wsiklus m = Q_2,3 m − Q_1,4 m =

(

U3−U2

)

−(U4−U1)

k = Konstanta

k = Konstanta

Efisiensi termal adalah perbandingan kerja bersih siklus terhadap kalor yang ditambahkan yaitu :

η=

(

U3−U2

)

−(U4−U1)

(

U₃−U₂

₎

=1−

(

U₃−U₂

₎

(

U₃−U₂

₎

Harga entalpi spesifik yang diperlukan untuk persamaan diatas bisa dilihat dari tabel udara.

Untuk proses isentropik 1-2 dan 3-4 berlaku hubungan :

dimana : r = rasio kompresi = V1/ V2 = V4/ V3

vr = volume / satuan massa. Harga vr bisa dilihat pada tabel udara.

Jika siklus Otto dianalisis pada basis standar udara dingin, rumus berikut bisa digunakan :

 Panas yang Masuk ke Sistem (Qin) Q¿=mcv(T3−T2)

 Panas yang di Buang dari Sistem (Qout) Qout=mcv(T3−T2)

 Kerja netto yang Dihasilkan (Wnet) Wnet=Q¿−Qout

Pengaruh Rasio Kompresi Terhadap Unjuk Kerja

Dari diagram T - S pada gambar sebelumnya. kita bisa mengambil kesimpulan bahwa efisiensi termal siklus Otto naik jika rasio kompresi naik. Kenaikan rasio kompresi merubah siklus dari 1-2-3-4-1 menjadi 1-2’-3’-4-1. Karena temperatur rata-rata kalor yang ditambahkan lebih besar pada siklus yang kedua dan kedua siklus mempunyai proses pelepasan kalor yang sama, siklus 1-2’-3’-4-1 akan mempunyai efisiensi termal yang lebih besar.

Efisiensi termal berbasis standar udara dingin pada cv konstan :

η=1−cv

(

T4−T1

)

c_v

(

T₃−T₂

)

Atau : η=1−T1

(

T4/T1−1

)

T₂

(

T₃/T₂−1

)

karena T4/ T1 = T3/ T2 maka : η=1−T1 T2

sehingga akhirnya diperoleh :

η=1− 1

rk−1

Persamaan diatas menunjukkan bahwa efisiensi termal siklus Otto berdasarkan standar udara dingin dipengaruhi hanya oleh rasio kompresi.

4. Contoh Soal dan Pembahasan

4.1.Sebuah siklus Otto mempunyai perbandingan kompresi 8. Pada awal proses kompresi tekanan dan temperature udara 100 kPa dan 17 o_C. Panas yang diberikan selama proses volume konstan 800 kJ/kg udara. Jika harga k = 1,4 dan cv = 718 J/kg K. Hitunglah :

a. Temperatur dan tekanan pada setiap siklus b. Kerja bersih

c. Efisiensi termal

d. Tekanan efektip rata-rata

100 kPa

a. Temperatur dan tekanan pada setiap siklus Pada titik 1: Temperatur , T1 = 290 K Tekanan, p1 = 100 kPa Pada titik 2: Temperatur, T2 = T1 T2 = 290 T2 = 666,2 K Tekanan, p2 = p1

p2 = 100 kPa ( p2 = 1837,9 kPa Pada titik 3: Temperatur , T3 Panas masuk: qin = cv (T3 – T2) T3 = = = 1780,4 K Tekanan, p3 Pada titik 4: Temperartur, T4 T = T

T4 = 1780,4 T4 = 774,96 K Tekanan, p4 P4 = p3 P4 = 4911,7 kPa P4 = 267,2 kP b. Kerja net

wnet = qin - qout qout = cv (T4 – T1) = 0,718 kJ/kg K (774,96 – 290) K = 348,2 kJ/kg Maka: Wnet = 800 – 348,2 = 451,8 kJ/kg c. Efisiensi termal

Atau:

4.2.Diketahui suatu mesin mengikuti siklus otto dengan data-data sebagai berikut:

Perbandingan Kompresi (r) = 8 Tekanan awal (P1) = 1 atm Suhu awal (T1) = 333oK

Kalor hasil pembakaran (bb + udara) = 550cal.K Massa fluida kerja (m) = 1 kg

Hitung :

a) Kalor yang dibuang (Qk)

b) Efisiensi thermal ( )

c) Suhu disetiap proses (T2, T3, T4) Penyelesaian :

Jika kita ingin mencari Qk kita harus mengetahui T4 terlebih dahulu, padahal T4 belum diketahui, maka kita coba mencari

terlebih dahulu dengan menggunakan rumus :

 η=1− 1 rk−1 η=1− 1 81,4−1 η=0,567 η=56,7

Mencari T2 kita lihat prosses 1-2 (adibatis) yang berlaku :

T vk−1 =c T1v1 k−1 =T2v2 k−1

T1 T₂=

(

v2 v₁

)

k−1 Dimana : v₁ v2 =r ,v2 v1 =1 r Maka T₁ T2 = 1 rk−1 T2=T1r k−1 T2=333oK .81,4−1 T2=333oK.2,297 T2=765 o K

Mencari T3 kita lihat proses 2-3 (isokhoris) dengan menggunakan rumus kalor masuk

Qm=mcv(T3−T2)

Q_m=mc_vT₃−mc_vT₂

T₃=Qm+mcvT2 mcv T₃= 550kcal+1kg .0,171kca kgo_K .765 o K 1kg .0,171kca kgoK T3=3981,4oK

Mencari T4, kita lihat proses 3-4 (adiabatis) yang berlaku

T vk−1 =c T3v3k−1=T4v4k−1 T4 T₃=

(

v3 v₄

)

k−1 Dimana : v3 = v2, v4 = v1 v₄ v3 =r ,v3 v4 =1 r Maka T₄ T3 = 1 rk−1 T₄= T3 rk−1

T₄=3981,4 o

K

81,4−1

T4=9145,3oK

Mencari kalor buang dengan rumus

Qm=mcp(T4−T1)

9145,3−3981,4¿oK Q_m=1kg .0,171kcal

kgoK ¿ Q_m=883kcal

4.3.Siklus Otto bekerja dengan rasio kompresi 8,5,pada tekanan dan temperatur awal p1 = 100 kPa dan T1 =300 K. Penambahan panas 1400 kJ/kg. Tentukan:

a. Kerja netto siklus (kJ/kg udara) b. Efisiensi thermal siklus

c. Mean effective pressure (kPa)

Penyelesaian

Proses 1-2: T2 T₁=

(

v1 v₂

)

k−1 =rk−1 T2=T1r k−1 T2=300oK .8,51,4−1 T₂=706,14K Proses 2-3: Q¿=cv(T3−T2) T3= Q¿ cv +T2 T₃=1400kJ/kg 0,718kJ kg. K +706,14K T₃=2656K

Proses 3-4 (dimana v4 = v1 dan v3 = v2), maka :

T4 T₃=

(

v3 v₄

)

k−1 =

(

1 r

)

k−1 T₄=T₃

(

1 r

)

k−1

T₄=2656K

(

1 8,5

)

1,4−1 T₄=1128,39K Proses 4-1: Qout=cv(T4−T1) Q_out=0,718kJ kg. K x(1128,39−300)K Q_out=594,78kJ/kg

a. Kerja Netto Siklus

W_net=Q¿−Qout

W_net=(1400−594,78)kJ/kg W_net=805,22kJ/kg

b. Efisiensi Thermal Siklus η=W_Qnet

¿ η=805,22kJ/kg

1400kJ/kg η=0,575=57,5

c. Mean Effective Pressure (MEP) MEP= Wsiklus

(

v₁−v₂

)

= W_siklus v₂

(

1−v2 v₁

)

= Wsiklus v₂

(

1−1 r

)

Untuk harga v1 dapat ditentukan berdasarkan persamaan gas idel PV = nRT atau PV = RT

v1=

R T₁ p

v₁= 0,287kPa .m 3 kg. K x300K 100kPa v1=0,861m3/kg Sehingga MEP= 805,22kJ/kg 0,861m3 kg

(

1− 1 8,5

)

x

|

10 3 Nm 1kJ

|

x

|

1kPa 103_Nm

|

MEP=1059,91kPa