motor bakar kuliah i
DESCRIPTION
MOTOR BAKAR Kuliah I. Pendahuluan. Mesin Kalor : Mesin Pembakaran Luar Mesin uap Mesin Pembakaran Dalam Motor Bakar Torak. Macam bahan bakar yang bisa digunakan lebih banyak Mesin uap lebih bebas getaran Turbin uap lebih praktis untuk daya tinggi, misal > 2000 PS - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
MOTOR BAKARKuliah I
Pendahuluan
Mesin Kalor :
Mesin Pembakaran Luar
-Mesin uap
Mesin Pembakaran Dalam
-Motor Bakar Torak
Macam bahan bakar yang bisa digunakan lebih banyak
Mesin uap lebih bebas getaran
Turbin uap lebih praktis untuk daya tinggi, misal > 2000 PS
Mesin lebih sederhana, kompak, ringan
Temperatur seluruh bagian mesin lebih rendah
Lebih efisien untuk transportasi
Motor Bakar
Bahan Bakar
DayaMotor Bakar
• Automobiles• Power Generation• Submarines• Diesel Locomotive
Energi Kimia Energi Panas Power
Motor Bakar
• Motor bakar 4 langkah (four strokes engine)Setiap satu siklus kerja memerlukan 4 kali langkah kerja, 2 putaran poros engkol
1. Langkah hisap
- Torak dari TMA TMB
- Katup isap (KI) terbuka
- Katup buang (KB) tertutup
- Campuran bahan bakar dan udara masuk
2. Langkah kompresi
- Torak dari TMB TMA
- KI dan KB tertutup
- Tekanan dan Temperatur naik akibat kompresi
4. Langkah buang- Torak dari TMB TMA- KI tertutup- KB terbuka- Gas hasil pembakaran keluar
3. Langkah Ekspansi
- Sebelum torak mencapai
TMA busi menyala dan terjadi pembakaran.
- Terjadi langkah kerja torak
dari TMA TMB
- KI dan KB tertutup
Motor bakar 2 langkah (two strokes engine)Setiap satu siklus kerja memerlukan 2 kali langkah kerja, 1 kali putaran poros engkol.
Motor bakar 2 langkah tidak mempunyai katup isap maupun katup buang, dan digantikan oleh dua lubang yaitu lubang buang dan lubang isap.
Siklus Ideal Motor Bakar
Jenis Motor Bakar :
Motor Bensin (Spark Ignition Engine)
Motor Diesel (Compression Ignition Engine)
Siklus Udara pada Motor Bakar :
Siklus udara volume-konstan (siklus Otto)
Siklus udara tekanan-konstan (siklus Diesel)
Siklus udara tekanan terbatas (siklus Gabungan)
Siklus Ideal Otto
1. Fluida kerja dianggap gas ideal
2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses
tekanan konstan.
3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan
proses isentropik
4. Proses pembakanan pada volume konstan
(2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.
5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses
isentropik
6. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap
sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume konstan.
7. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada
tekanan konstan
0
Thermal Efficiency of the Otto cycle:
th net
in
net
in
in out
in
out
in
W
Q
Q
Q
Q Q
Q
Q
Q
1
Now to find Qin and Qout.
Apply first law closed system to process 2-3, V = constant.
Thus, for constant specific heats,
Q U
Q Q mC T T
net
net in v
,
, ( )
23 23
23 3 2
Apply first law closed system to process 4-1, V = constant.
Thus, for constant specific heats,
Q U
Q Q mC T T
Q mC T T mC T T
net
net out v
out v v
,
, ( )
( ) ( )
41 41
41 1 4
1 4 4 1
The thermal efficiency becomes
th Otto out
in
v
v
Q
Q
mC T T
mC T T
,
( )
( )
1
1 4 1
3 2
th OttoT T
T T
T T T
T T T
,
( )
( )
( / )
( / )
1
11
1
4 1
3 2
1 4 1
2 3 2
Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so
Since V3 = V2 and V4 = V1, we see that
T
T
T
T
or
T
T
T
T
2
1
3
4
4
1
3
2
The Otto cycle efficiency becomes
th OttoT
T, 1 1
2
Is this the same as the Carnot cycle efficiency? Since process 1-2 is isentropic,
where the compression ratio is r = V1/V2 and
th Otto kr, 11
1
13
We see that increasing the compression ratio increases the thermal efficiency. However, there is a limit on r depending upon the fuel. Fuels under high temperature resulting from high compression ratios will prematurely ignite, causing knock.
th Otto kr, 11
1
Siklus Ideal Diesel (Tekanan Konstan)
1. Fluida kerja dianggap gas ideal
2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses
tekanan konstan.
3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan
proses isentropik
4. Proses pembakanan pada tekanan konstan
(2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.
5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses
isentropik
6. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap
sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume konstan.
7. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada
tekanan konstan
Qin
Qout
15
Thermal efficiency of the Diesel cycle
th Diesel net
in
out
in
W
Q
Q
Q, 1
Now to find Qin and Qout. Apply the first law closed system to process 2-3, P = constant.
Thus, for constant specific heats
Q U P V V
Q Q mC T T mR T T
Q mC T T
net
net in v
in p
,
,
( )
( ) ( )
( )
23 23 2 3 2
23 3 2 3 2
3 2
16
Apply the first law closed system to process 4-1, V = constant (just as we did for the Otto cycle)
Thus, for constant specific heats
Q U
Q Q mC T T
Q mC T T mC T T
net
net out v
out v v
,
, ( )
( ) ( )
41 41
41 1 4
1 4 4 1
The thermal efficiency becomes
th Diesel out
in
v
p
Q
Q
mC T T
mC T T
,
( )
( )
1
1 4 1
3 2
17
th Diesel v
p
C T T
C T T
k
T T T
T T T
,
( )
( )
( / )
( / )
1
11 1
1
4 1
3 2
1 4 1
2 3 2What is T3/T2 ?
PV
T
PV
TP P
T
T
V
Vrc
3 3
3
2 2
23 2
3
2
3
2
where
where rc is called the cutoff ratio, defined as V3 /V2, and is a measure of the duration of the heat addition at constant pressure. Since the fuel is injected directly into the cylinder, the cutoff ratio can be related to the number of degrees that the crank rotated during the fuel injection into the cylinder.
18
What is T4/T1 ?
PV
T
PV
TV V
T
T
P
P
4 4
4
1 1
14 1
4
1
4
1
where
Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so
PV PV PV PVk k k k1 1 2 2 4 4 3 3 and
Since V4 = V1 and P3 = P2, we divide the second equation by the first equation and obtain
19
th Diesel
ck
c
kck
c
k
T T T
T T T
k
T
T
r
r
r
r
k r
,
( / )
( / )
( )
( )
11 1
1
11 1
1
11 1
1
1 4 1
2 3 2
1
2
1
th Diesel th Otto, , r rDiesel Otto th Diesel th Otto, ,When rc > 1 for a fixed r, . But,
since , .
Therefore,
Siklus Tekanan Terbatas
1. Fluida kerja dianggap gas ideal
2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses
tekanan konstan.
3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan
proses isentropik
4. Proses pemasukan kalor pada volume
konstan (2 → 3).
5. Proses pemasukan kalor pada tekanan
konstan (3 → 3a)
6. Langkah kerja (3a → 4) merupakan proses
isentropik
7. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap
sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume konstan.
8. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada
tekanan konstan
Proses 0-1 (langkah isap)Pada langkah ini udara mengisi silinder yang bertambah besar karena torak bergerak dari TMA → TMB, dalam hal ini seolah-olah udara melakukan kerja sebesar
W0-1 = P0 (V1 – V0) (positif, fluida melakukan kerja)
Proses 1-2 (langkah kompresi)Pada langkah kompresi dilakukan secara isentropik.Jadi Q = 0 dan ΔS = 0, sehingga kerja yang dilakukan
W1-2 = - ΔU = U1 – U2 = m Cv (T1 – T2) (negatif, fluida dikenai kerja)
Karena isentropik berlaku : 1
1
21
1
2
1
1
1
2
1
2 )(
k
k
kk
k
rV
V
P
P
T
T
udarajenisberat
sisavolumeV
toraklangkahvolumeV
V
VV
V
Vrdengan
s
L
s
sL
2
1
Proses 2-3 (pemasukan kalor pada volume konstan)Pemasukan kalor setelah torak mencapai TMA (titik 2)Fluida kerja tidak melakukan atau dikenai kerja, sehingga W2-3 = 0
Q2-3 = m Cv (T3 – T2) (positif, pemasukan kalor)
Proses 3-3a (pemasukan kalor pada tekanan konstan)Pemasukan kalor tekanan konstan berlangsung setelah Temperatur kerja mencapai T3.
Volume fluida kerja berubah dari V3 – V3a, sehingga fluida kerja melakukan kerja sebesar:W3-3a = P3 (V3 – V3a) = P3a (V3 – V3a) (positif, fluida melakukan kerja)
Sehingga jumlah pemasukan kalor Q3-3a = m Cv (T3a – T3) + W3-3a
= U3a – U3 + P3 (V3 – V3a) = (U3a+V3a) – (U3 + P3 V3) = H3a – H3 = m Cp (T3a – T3) (positif, pemasukan kalor)
Proses 3a-4 (langkah ekspansi atau langkah kerja) Pada langkah kerja berlangsung secara isentropik. Jadi Q = 0 dan ΔS = 0, sehingga kerja yang dilakukan
W3a-4 = ΔU = U3a – U4 = m Cv (T3a – T4) (positif, fluida melakukan kerja)
Karena isentropik berlaku :
Proses 4-1 (langkah pembuangan kalor)Proses ini dilakukan pada volume konstant. Torak telah mencapai TMB.Karena V4 = V1 , sehingga besar kerja 4-1, W4-1 = 0
Jumlah kalor yang dibuangQ4-1 = -ΔU = U1 – U4 = m Cv (T1 – T4) (negatif, pembuangan kalor)
1
3
4
1
4
3
1
3
4
3
4
k
a
k
ak
k
aa V
V
P
P
T
T
Proses 1-0 (langkah buang)Torak bergerak dari TMB → TMAFluida kerja dikenai kerja, sebesar : W1-0 = P0 (V1 – V0) (negatif, fluida kerja dikenai kerja)
Kerja yang dihasilkan oleh siklus tiap kg udara
w = (u3 – u2) + (h3a – h3) - (u1 – u4)
qmasuk qkeluar
Effisiensi siklus
11
111
11
1
1
)()(
)(1
1inputkalor
siklus kerja
1
2
3
3
3
2
3
3
3
2
3
2
3
1
4
2
1
3323
14
c
c
c
rk
r
r
maka
V
V
V
Vrdan
P
P
bila
T
T
T
Tk
T
T
TT
T
T
atau
TTcTTc
TTc
Q
Q
k
t
aa
a
t
apv
v
in
outt
Untuk jumlah pemasukan kalor sama dan perbandingan kompresi sama
ηvolume-konstan > ηtekanan-terbatas > ηtekanan-konstan
Untuk jumlah pemasukan kalor sama dan tekanan maksimum yang sama
ηtekanan-konstan > ηtekanan-terbatas > ηvolume-konstan