4.
Mahasiswa dapat menjelaskan siklus motor diesel dan mengerjakan perhitungan teknik
Proses thermodina mika Motor Bakar.
Waktu: 1x pertemuan @100 menit
Ѵ
Ѵ
Ѵ
-
-
Metode Evaluasi dan Penilaian
Metode Ajar
Aktivitas Mahasiswa
Web
Soal-tugas
Gambar
(pokok, subpokok bahasan, alokasi waktu)
Media Ajar
Audio/Video
Topik
Presentasi
Capaian Pembelajaran
Teks
Pertemuan ke
Rencana Pembelajaran Kegiatan Mingguan (RPKPM).
Ѵ
-
Mahasiswa Menerima materi dan diskusi di kelas
-Menerima materi sesuai kontrak pembelajaran -Diskusi materi kuliah
Aktivitas Dosen/ Nama Pengajar
Sumber Ajar (pustaka)
-Menyampai
Wiranto A M., 1979, Motor Diesel Putaran Tinggi, Ed. 3, Pradnya Paramita, Jakarta
kan materi kuliah dan mengaktifka n mahasiswa berdiskusi di kelas
Pengajar: Harjono
1
Bab IV. Proses thermodinamika motor bakar Diskripsi singkat : Dalam silinder motor bakar terjadi proses dan reaksi kimia berantai yang sangat
komplek dan rumit, maka sangat sulit dilaksanakan penganalisaannya. Untuk penganalisaan
pendekatan maka perlu dilakukan asumsi yaitu muatan dianggap gas ideal, panas jenis
muatan konstan pada tiap keadaan dan tiap proses, proses kompresi dan ekspansi dianggap
berlangsung secara adiabatic, Massa muatan yang dikerjakan dianggap konstan, pemasukan dan pengeluaran panas berlangsung secara konduksi, tidak terdapat kerugian mekanis.
Siklus Otto juga disebut siklus udara volume konstan untuk motor bakar torak
penyalaan api / bensin. Pada proses siklus diesel sama dengan siklus Otto hanya berbeda
pemasukan energy terjadi pada tekanan konstan. Siklus gabungan ( tekanan terbatas ) Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan
maupun tekanan konstan. Dengan asumsi persamaan gas ideal dan hokum thermodinamika I, dari siklus otto ataupun siklus diesel dapat dihitung efisiensi thermos mesin dalam keaadan ideal.
a. Manfaat :
Mahasiswa dapat menjelaskan persamaan gas ideal, dan hukum thermodinamika I
b. Learning Outcomes :
Mahasiswa dapat menjelaskan siklus otto , siklus diesel dan siklus gabungan.
c. Relevansi :
Mahasiswa dapat menghitung efisiensi motor torak saat menyusun tugas akhir
PENYAJIAN URAIAN: a. Contoh : Memberikan contoh siklus thermodinamika pada mesin diesel dan contoh aplikasi mesin yang banyak dipakai. b. Ilustrasi : Memberikan penjelasan proses pembakaran pada ruang bakar disertai dengan gambar. 2
c. Aktivitas Berdiskusi dengan mahasiswa tentang perhitungan teknik pada siklus otto dan siklus diesel. d. Tugas Mahasiswa mencari contoh perhitungan siklus diesel dengan internet dengan disertai sumber yang jelas. e. Rangkuman Dengan penjelasan dari dosen waktu kuliah dan diskusi serta tugas yang harus dikumpulkan
kemudian
dapat
dibuat
rangkuman
tentang
materi
proses
thermodinamika motor bakar.
3
BAB IV PROSES THERMODINAMIKA MOTOR BAKAR Siklus pada motor bakar dibentuk dari lima rangkaian proses : 1. Pengisian 2. Kompresi 3. Pengapian/pembakaran pemasukan bahan bakar/pemasukan kalor 4. Ekspansi / daya 5. Pembuangan
Dalam silinder motor bakar terjadi proses dan reaksi kimia berantai yang sangat komplek dan rumit, maka sangat sulit dilaksanakan penganalisaannya. Untuk penganalisaan pendekatan maka perlu dilakukan pengandaian – pengandaian sbb : 1. Muatan dianggap gas ideal 2. Panas jenis muatan konstan pada tiap keadaan dan tiap proses 3. Proses kompresi dan ekspansi dianggap berlangsung secara adiabatic, reversible 4. Massa muatan yang dikerjakan dianggap konstan ( siklus tertutup ) 5. Pemberian atau pengeluaran panas berlangsung secara konduksi 6. Tidak terdapat kerugian mekanis GAS IDEAL Gas ideal adalah gas dimana tenaga ikat molekul – molekulnya dapat diabaikan. Persamaan gas ideal: Hukum Boyle Gay Lussac PV = m RT Pv = RT
untuk m satuan massa untuk 1 satuan massa
R =Cp – Cv untuk gas ideal Cp dan Cv konstan R = konstan PV / T = R= konstan p 1 v1 / T 1 = p 2 v2 / T 2 Dari hukum thermodinamika I dQ = dU + dW perubahan panas = perubahan energi dalam + perub kerja Proses adiabatic : dQ = 0 0 =dU + dW dU =- dW U 2 – U 1 = W1 – W 2 4
Kerja yang timbul hanya sebagai hasil perubahan energy dalamnya pada gas ideal dw =pdv dU + pdv = 0 dU = C v dT C V dT + pdv = 0 Pv = R T p = R T / v
C v dT + RT / v dv = 0
Jadi dT / T = R/Cv . dv/v = 0
+
=
Ln T + R / C V ln v = constan ln T + ln VR/Cv = constan TVR/Cv = constan R = C P – C v R/ C V = C P / C V - 1 CP / C V = σ R / CV = σ – 1 T V σ – 1 = constan T 1 V 1 σ - 1= T 2 V 2 σ – 1 T 1 / T 2 = ( V 2 / V 1 )σ – 1 ( PV / R )σ – 1= constan pVσ=constan Atau P 2 / P 1 = ( V 1 / V 2 )σ Dalam motor bakar : V 1 V2 V1 /V2
: volume silinder mula-mula : volume silinder pada akhir kompresi : kompresi ratio = r
Jadi T 1 / T 2 = ( 1/ r )σ – 1 atau T 2 / T 1 =rσ - 1 = rσ
P2 / P1
Hubungan Temperatur dan Tekanan P 1 v1 σ
= p 2 v 2 σ p
/p2
1
= ( v 2 / v 1 ) σ v2 / v 1 = ( p 1 / p 2 )1 /σ
P 1 v1 / T 1 = p 2 v2 /T 2 T 2 / T 1 = P 2 / P 1 . v2 / v1 T2/T
1
= p
2
/ p 1 ( p 1 / p 2 )1 / σ
= ( p 2 / p 1 )1 – 1 /σ = ( p ( T 2 / T 1 )σ
2
/ p 1 )σ – 1/σ
= ( p 2 / p 1 ) atau T 1 σ
/ p1σ - 1 = T2σ
/p 2σ –
5
4.1 Siklus Otto Siklus Otto juga disebut siklus udara volume konstan.Untuk motor bakar torak penyalaan api / bensin maka untuk menganalisa siklusnya dapat didekati dengan siklus ini.
Gb. 5.1 Siklus Otto
0
→ 1 langkah isap merupakan proses tekanan konstan.
1
→ 2 langkah kompresi merupakan proses isentropis.
2
→ 3 proses pembakaran volume konstan atau proses pemasukan kalor.
3
→ 4 langkah kerja / ekspansi proses isentropis.
4
→ 1 proses pembuangan sebagai proses pengeluaran pada volume konstan.
1
→ 0 langkah buang
V 2 = V S = Volume sisa V L = Volume langkah torak V 1 = V = Volume silinder = V 2 + V 1
Panas masuk : Q 2 3 = C V ( T 3 – T 2 ) kj / kg C V : Panas jenis pada volume konstan. T3
: Temperatur akhir pengisian panas / pembakaran
Panas keluar : Q 41 = C V ( T 4 – T 1 ) T4
: temperature akhir ekspansi
T1
: Temperatur udara masuk
Panas berguna : Q = Wth 6
Selama proses kompresi dan ekspansi tidak terjadi pertukaran panas oleh karena itu selisih panas masuk dengan panas keluar merupakan usaha yang dihasilkan tiap siklus
Q = Q 23 – Q 41 = C V ( T 3 – T 2 ) – C V ( T 4 – T 1 ) kj / kg
Efisiensi Thermis Didefinisikan sebagai panas berguna terhadap ( dibagi ) panas yang dimasukan.
=
= 1-
= 1 -
Temperatur temperature tersebut sulit diketahui atau diukur maka dicari persamaan dalam hubungan volume. Proses 1 -2 berlangsung secara adiabatic - reversible T 1 / T 2 = ( V 2 / V 1 )σ – 1 Proses 3 – 4 berlangsung secara adiabatic T 4 / T3 = ( V3 / V4 ) σ - 1
= ( V 2 / V 1 )σ -1
Jadi T 1 / T 2 = T 4 / T 3 T 4 / T η th = 1 – T 1 / T 2
1
= T3 / T2
=1–
= 1 – ( V 2 / V 1 )σ - 1
η th = 1 – ( )σ - 1 dimana r
: perbandingan kompresi atau angka kompresi
η th : efisiensi thermis σ
: Cp / C v 7
Dari persamaan tersebut dapat dibuat tabel sebagai berikut :
r
4
5
6
……………
12
η th %
43
48
53
……………
64 % dst
Nampak dari tabel diatas bahwa semakin besar r ( perbandingan kompresi ) juga semakin besar effisiensi thermisnya, atau untuk menaikan effisiensi motor maka dapat dilakukan dengan menaikan perbandingan kompresinya.
4.2 Siklus Diesel Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan energy terjadi pada tekanan konstan.
Gambar Siklus Diesel Panas berguna dirubah menjadi daya : Q = Q 23 – Q 41 = C p ( T 3 – T 2 ) - C v ( T 4 – T 1 ) kj/kg Efisiensi thermis CP ( T 3 – T 2 ) – CV ( T 4 – T 1 ) T4 – T1 η th = ----------------------------------- = 1 - C P / C V ------------CP ( T 3 – T 2 ) T3 – T2
8
T1( T 4 / T 1 – 1 )
= 1 – 1/ σ ------------------T2( T4 / T1 – 1 ) Proses isentropis : T 1 / T 2 = ( V 2 / V 1 ) σ -1
dan T 4 / T 3 = ( V 3 / V 4 )σ – 1
Proses 2 – 3 : tekanan konstan P2 V2 / T = P2 V3 / T3 T3 / T2 = V3 / V2 V4 = V1 V3 / V4 Jadi T 4 / T 1 = T 3 / T 2 ( ---------- )σ – 1 dan V 3 / V 2 ( V 3 / V 2 ) = ( V 3 / V 2 ) σ – 1 V2 / V1 V / V = λ = Perbandingan volume selama proses pengisian panas λσ - 1
1 η th = 1 - ------rσ -1 σ ( λ -1 )
{ --------------}
4.3 Siklus Gabungan ( Tekanan Terbatas )
Gambar Siklus tekanan terbatas Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan ( 2 – 3a ) maupun tekanan konstan ( 3a – 3 ) Efisiensi Thermis = C V( T 3a – T 2 ) + C p ( T 3 – T 3a ) – C v ( T 4 – T 1 ) Efisiensi thermis : η th = --------------------------------------------------------C v ( T 3a – T 2 ) + C p ( T 3 – T 3a )
9
T4 – T1 = 1 - ----------------------------------- …………………………….1) ( T 3a – T 2 ) + σ ( T 3 – T 3a ) V1 T 2 = T 1 ( -------)σ -1 = T 1 ( r )σ -1 V2 P2
,
P 3a T 3a = T 2 --------= T 2 ( r )σ – 1 . α
.
P 3a ---- = α : Perbandingan tekanan : laju ledakan P2 V3 V3 λ = ------- = ------ : Perbandingan pemotongan V 3a V2 V3 T 3 = T 3a T 3a ------ = T 1 ( r ) σ -1 α . λ V 3a V3 V3 T 4 = T 3 ( ----- )σ – 1 = T 1 ( r )σ – 1 α λ ( ----- )σ - 1 V4 V4 V3 V3 V 3 V 3a V3 V2 ----- = ----- = --------- =------- dimana V 2 = V 3a V4 V1 V 1 V 3a V2 V1 Jadi
λ V3 ----- = ----V4
r
λ T 4 =T 1 ( r ) σ – 1 α λ ( ----)σ – 1 = T 1 α λσ r Substitusi T 2 , T 3a , T 3 dan T 4 ke pers. 1) diperoleh 1 α λσ - 1 η th = 1 - --------- { ---------------------------- } rσ – 1( α – 1 ) + α σ ( λ – 1 ) Bila λ = 1
α =1
P 3a / P 2 = 1 titik 2 dan 3a berimpit menjadi Siklus Diesel
V 3 / V 2 = 1 titik 3 dan 3a berimpit menjadi Siklus Otto
10
Contoh Mesin Diesel putaran tinggi yang bekerja sesuai dengan siklus gabungan, tekanan awal kompresi 1 kgf/cm2 dengan temperature 500 C. perbandingan kompresi 14, penambahan energy pada tahap pertama dapat menaikan tekanan menjadi 2 kali dari tekanan kompresi pada tahap tekanan konstan dapat menaikan volume menjadi 2 kalinya.Hitung temperature pada titik titik mati dan efisiensi termisnya. Jawab : T 2 / T 1 = rσ – 1 T 2 = T 1 rσ – 1 T 1 = 50 + 2730 = 323 0K
Gb. 5.4 Gambar siklus Diesel T 2 = 323 ( 14 )1,4 – 1 = 323 ( 14 )0,4 = 930 0K P 2 / P 1 = rσ P 2 = 1 . 141,4= 40 kgf / cm2 T 3 / T 2 = P 3 / P 2 T 3 = 930 x 80/40 = 18600K T 4 / T 3 = V 4 / V 3 T 4 = 1860 x 2 = 37200K
pada volume konstan pada tekanan konstan
Pada langkah ekspansi Perbandingan ekspansi : V 5 / V 4 = 14 / 2 = 7 Jadi T 5 = T 4 / ( V 5 /V 4 )λ – 1 = 3720 / 70,4 = 1710 0K
11
Rangkuman Proses Thermodinamika Motor Dalam silinder motor bakar terjadi proses dan reaksi kimia berantai yang sangat komplekk, dan untuk penganalisaan pendekatan maka perlu asumsi yaitu muatan dianggap gas ideal, panas jenis (cp dan cv) muatan konstan pada tiap keadaan dan tiap proses,proses kompresi dan ekspansi dianggap berlangsung secara adiabatic, reversible, massa muatan yang dikerjakan dianggap konstan ( siklus tertutup ), pemberian atau pengeluaran panas berlangsung secara konduksi dan tidak terdapat kerugian mekanis. Siklus Otto adalah siklus udara volume konstan.Untuk motor bakar torak penyalaan api / bensin maka untuk menganalisa siklusnya dapat didekati dengan siklus ini. Siklus diesel adalah siklus udara tekanan konstan, proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan energi terjadi pada tekanan konstan. Siklus gabungan adalah Proses sama dengan siklus Otto hanya berbeda pemasukan kalor terjadi pada volume konstan maupun tekanan konstan. Efisiensi thermis didefinisikan sebagai panas berguna terhadap ( dibagi ) panas yang dimasukan.
Latihan soal : 1. Jelaskan tentang siklus otto dan siklus diesel 2. Jelaskan perbedaan antara siklus otto dan siklus diesel 3. Jelaskan dengan singkat definisi proses adiabatic, isobaric, isokhoris dan isothermis yang terjadi pada siklus motor bakar. 4. Jelaskan tentang efisiensi thermos pada motor bakar. 5. Gambarkan diagram P-V siklus otto dan jelaskan prosesnya.
Jawaban soal akan didiskusikan di kelas
12