1.2 Siklus Otto

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 1 BAB I SIKLUS DAYA GAS 1.2 Siklus Otto Mesin empat langkah pertama kali didemonstrasikan oleh Nikolaus Otto pada tahun 1876. Mesin empat langkah sekarang ini semakin populer. Hampir semua jenis kendaraan telah menggunakan mesin empat langkah. Di Indonesia produsen sepeda motor yang dulunya dua langkah kini beralih ke empat langkah. Ini karena mesin empat langkah lebih hemat dalam penggunaan bahan bakar. Motor empat langkah ada yang berbahan bakar bensin dan ada pula yang solar. Sebenarnya yang didemonstrasikan oleh Otto merupakan prinsip kerja dari motor bensin, dan karena itulah prinsip kerja motor bensin sering disebut siklus Otto. Motor bensin sering pula disebut motor penyalaan cetus (spark ignition engine) karena proses pembakaran di dalam ruang bakar dipicu oleh cetusan bunga api dari busi. Daya yang dihasilkan di dalam silinder disebut daya indikasi (indicated horse power). Sebagian daya itu hilang selama proses transmisi karena gesekan mekanis dan gesekan fluida. Sebagian lagi dipakai untuk menggerakkan alat bantu mesin seperti pompa bahan bakar, generator dan pompa air pendingin. Total daya yang diteruskan oleh poros mesin disebut daya pengereman (brake horse power). Efisiensi mekanis mesin adalah: Indicated horse power Brake horse power mech = (1) Tekanan efektif rata-rata (mean effective pressure,mep) didefenisikan sebagai tekanan konstan yang bila bekerja pada piston selama langkah kerja akan menghasilkan kerja yang sama dengan kerja bersih pada siklus aktual. Besarnya adalah kerja bersih dibagi dengan volume langkah (displacement volume or stroke volume ), VL = V1 – V2. Gambar 1. 1 Diagram yang menunjukkan kerja bersih setara dengan hasil kali MEP dengan volume langkah

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 2 L net V W mep = Proses pada siklus mesin empat langkah adalah : langkah isap (intake), kompressi (compression), kerja (power) dan buang (exhaust). Ini berlaku bagi motor bensin maupun motor diesel dengan sedikit perbedaan pada langkah isap. Diagram P-V dan T-s (a) (b) ( c ) Gambar 1. 2 Siklus ideal motor bensin (a) Diagram P-V (b) Diagram T-s (c ) Sistem piston silinder Kembali ke gambar 1; proses yang terjadi di dalam silinder sebagai berikut: Proses 1 => 2; adalah kompresi adiabatic reversibel (isentropik). Udara ditekan akibat gerakan piston yang memperkecil ruang silinder. Keadaan 2 mempunyai temperatur dan tekanan yang lebih tinggi daripada keadaan 1. k 2 2 k P1V1 = P V atau k 1 2 1 1 2 V V T T − = (2) k 1 k 2 2 k 1 k T1 .P1 T .P − − = Proses 2=> 3; kalor ditransfer ke dalam sistem pada volume konstan. Temperatur, tekanan, dan entropy meningkat. Jumlah kalor yang ditransfer ke dalam sistem adalah Qin = mcv (T3 – T2) (3) V (m3 ) 2 3 P (kPa) s 2 T (K) 1 4 Qin 3 Qout 1 Qin 4 Qout

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 3 dimana cv adalah kalor spesifik pada volume konstan. Proses 3=> 4; ekspansi adiabatik reversible (isentropik). Piston bergerak ke luar memperbesar ruang silinder. Temperature dan tekanan menurun. Hubungan antara keadaan 3 dan 4 adalah: k 4 4 k P3V3 = P V atau k 1 4 3 3 4 V V T T − = (4) Proses 4=> 1; kalor dibuang dari sistem pada volume konstan. Temperatur, tekanan dan entropi menurut. Jumlah kalor yang dibuang ke lingkungan adalah Qout = mcv (T4 – T1) (5) Kerja bersih yang dilakukan oleh siklus adalah: Wnet = Qin −Qout (6) Efisiensi thermal siklus adalah Q W in net th = (7) Untuk k dan cv konstan, persamaan (7) menjadi k 1 2 v 1 th r 1 1 T T 1 − = − = − (8) Dimana rv adalah rasio kompressi ➔ 3 4 2 1 3 4 2 1 v V V V V r = = = = v p c c k = adalah rasio kalor spesifik Untuk diperhatikan bahwa keseluruhan persamaan 2 s/d 8 kecuali 6 dan 7 hanya berlaku jika diasumsi proses adalah cold air standard atau nilai kalor spesifik konstan. Jika kalor spesifik diperhitungkan nilainya akibat pengaruh temperatur maka persamaan tersebut tidak dapat digunakan. Karena efisiensi thermal merupakan fungsi dari rasio kompresi rv, maka meningkatkan rasio kompresi akan meningkatkan efisiensi thermal. Gambar 1. 3 Hubungan rasio kompresi dengan efisiensi siklus Otto

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 4 Pada mesin penyalaan cetus (bensin), batas atas rasio kompresi ditentukan oleh temperatur nyala bahan bakar. Temperatur campuran udara-bahan bakar pada akhir langkah kompresi harus berada di bawah temperatur titik nyala bahan bakar. Jika batas ini dilampaui maka akan terjadi autoignition, yaitu bahan bakar akan terbakar dengan sendirinya sebelum bunga api dipercikkan dari busi. Hasil pembakaran spontan ini menghasilkan suara ketukan atau ”knocking”. Autoignition dalam motor bensin tidak dapat ditoleransi sebab menurunkan performa serta merusak mesin. Peningkatan efisiensi termal motor bensin dengan menaikkan rasio kompresi (hingga 12) tanpa menghadapi masalah autoignition telah dilakukan. Salah satunya dengan menggunakan bensin campur yang mempunyai sifat anti-knocking yang baik misalnya campuran bensin dengan tetraethyl lead. Tetraethyl lead (TEL) telah ditambahkan ke bensin sejak tahun 1920-an sebab cara ini adalah cara murah untuk menaikkan nilai oktan (octane rating). Nilai oktan adalah ukuran kemampuan bahan bakar bensin menahan knocking. Sayangnya dengan penambahan TEL meningkatkan kadar timbal di dalam bensin. Bensin bertimbal mempunyai efek samping yang sangat tidak diinginkan. Selama proses pembakaran dihasilkan senyawa timah hitam yang merusak kesehatan dan mencemari lingkungan. Karena itu pemerintah Amerika sejak pertengahan tahun 1970 secara perlahan menghilangkan penggunaan bensin bertimbal (timah hitam). Karena di Amerika harus menggunakan bensin tanpa timbal maka sejak tahun 1975 banyak produsen kendaraan harus mendesain ulang kendaraannya (khusus kendaraan tanpa timbal) yaitu dengan menurunkan rasio kompressi untuk mencegah knocking mesin. Dengan turunnya rasio kompressi maka efisiensi termal mesin juga menurun. Akan tetapi perbaikan di berbagai sektor seperti menurunkan berat kendaraan secara keseluruhan, menyempurnakan bentuk aerodinamis kendaraan, maka kendaraan masa kini mempunyai konsumsi bahan bakar yang ekonomis sehingga makin jauh jarak yang dapat ditempuh kendaraan per liter bahan bakar. Efisiensi termal aktual dari motor bensin bervariasi dari 25 hingga 30 persen. Diagram T-s diagram pada Gambar 1. 10, luas a-2-3-b-a merupakan jumlah kalor yang ditransfer ke dalam sistem selama proses volume konstan 2-3. Karena T6 adalah temperatur terendah dimana kalor dapat dibuang, maka luasan 5-6-a-b adalah nilai minimum kemungkinan kalor dapat dibuang. Luasan di atas proses 5- 6 (daerah 6-2-3-5-6) adalah available energy; sedangkan daerah di bawahnya (area a-6-5-b-a) adalah unavailable energy. s 2 T 1 6 5 a b 4 Qin 3 Qout Gambar 1. 4 Diagram T-s siklus Otto (Jabaran gambar 1.8)

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 5 Contoh 1.2.1 Sebuah siklus Otto standar udara mempunyai rasio kompresi 8. Pada awal langkah kompressi temperaturnya 300 K dan tekanan 100 kPa. Jika temperatur maksimum siklus 1200 K, hitunglah: • Kalor suplai per kg udara, qin [kJ/kg]. • Kerja bersih [kJ/kg] • Efisiensi termal siklus Penyelesaian: Diketahui; rv, T1, P1, T3 A. Penyelesaian dengan asumsi kalor spesifik konstan Dari persamaan (2); ( ) 2 1,4 1 8 300 T − = diperoleh T2 = 689,2 K Dari persamaan (4); ( ) 4 1,4 1 1/8 1200 T − = diperoleh T4 = 522,3 K • Untuk proses 2-3 temperatur rata-ratanya adalah 944,6 K; diperoleh kalor spesifik pada volume konstan cv = 0,754 kJ/kgK. Persamaan (3) menjadi: q c (T T ) in = v 3 − 2 = (0,7165 kJ/kgK)(1200 − 689,2)K = 365,9746 kJ/kg • Untuk proses 4-1 temperatur rata-ratanya adalah 411,15 K; diperoleh kalor spesifik pada volume konstan cv = 0,7165 kJ/kgK. Persamaan (5) menjadi: q c (T T ) out = v 4 − 1 = (0,7165 kJ/kgK)(522,3 − 300)K = 159,3 kJ/kg Kerja bersih per kg udara adalah wnet = qin − qout = 206.6749 kJ/kg • Efisiensi termal siklus diperoleh dari persamaan (7) ηth = 206,6749 365,9746 = 0,5647 atau 56,47% B. Penyelesaian dengan kalor spesifik fungsi temperatur Titik 1 v1 = 100kPa 0,287 kJ/(kg.K) x 300K P R.T 1 1 = = 0,861 m3 /kg Berdasarkan T1 = 300 K, dari tabel gas ideal udara diperoleh; r1 = 621,2 u 214,07kJ/kg 1 = Titik 2 Proses 1 → 2 adalah proses isentropik, sehingga; Dari hubungan 2 1 v r = diperoleh; v 1 2 r =

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 6 = 8 0,861 m / kg 3 = 0,107625 m3 /kg Dari hubungan r1 r2 1 2 = diperoleh; r1 1 2 r2 = = 621,2 0,861 m / kg 0,107625 m / kg 3 3 = 77,65 Berdasarkan nilai 77,65 r2 = dari tabel diperoleh dengan interpolasi; vr2 78,61 77,65 75,5 T2 (K) 670 673,087 680 u2(kJ/kg.K) 488,81 491,221 496,62 Tekanan di titik 2 2 2 2 R.T P = = kg m 0,107625 673,087K kg.K kJ 0,287 3 = 1794,898 kPa Berdasarkan T3 = 2100 K, dari tabel gas ideal udara diperoleh; h3 =12787,79kJ/kg u3 =933,33kJ/kg r3 =14,470,107625 m / kg 3 3 = 2 = Titik 3 Proses 2 → 3 adalah proses isokhorik (volume konstan), sehingga; Dari persamaan 2 2 3 3 T P T P = , 3 2 2 3 T T P P = = 1200K 673,0868167K 1794,898178kPa = 3200 kPa Titik 4 Proses 3 → 4 adalah proses isentropik, sehingga; Dari hubungan r3 r4 3 4 = diperoleh; r3 3 4 r4 = = 14,47 0,107625 m /kg 0,861 m /kg 3 3 = 115,76

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 7 Dimana 4 = 1 = 0,861 m3 /kg Berdasarkan nilai r 4 = 115,76 dari tabel diperoleh dengan interpolasi; 0,861m /kg R.T 0,287 kJ/(kg.K) x 579,891K P 3 4 4 4 = = = 193,2969697 kPa Analisis Energi : karena sistem tertutup, maka berlaku q – w = u Kerja yang dibutuhkan untuk melakukan kompresi dari titik 1 ke titik 2: Karena proses 1 → 2 adalah proses isentropik, maka q = 0. Sehingga; q1→2 − w1→2 =u 0− w1→2= 2 1 u − u w1→2 = 2 1 u − u = (491,221 – 214,07)kJ/kg = 277,151 kJ/kg Besarnya kalor yang masuk ke siklus terjadi pada saat proses 2 → 3 dengan sistem tertutup. Dimana proses 2 → 3 adalah proses isokhorik (volume konstan), w = 0 karena tidak terjadi kerja. Sehingga, qin = u3 − u2 = (933,33 – 491,221) kJ/kg = 442,1092 kJ/kg Besarnya kalor yang keluar dari siklus terjadi pada proses 4 → 1 dengan system tertutup. Dimana proses 4 → 1 adalah proses isokhorik (volume konstan), w = 0 karena tidak terjadi kerja. Sehingga; qout = u4 − u1 = (419,467 – 214,07) kJ/kg = 205,397 kJ/kg Efisiensi termal siklus: 100% q q 1 in out = − 100% 442,1092 kJ/kg 205,397 kJ/kg 1 = − = 53,54 % Contoh 1.2.2 Sebuah siklus Otto ideal mempunyai rasio kompresi 8. Kondisi udara pada awal proses kompresi adalah 95 kPa dan 27oC; kalor sebesar 750 kJ/kg dipindahkan selama proses pemasukan pada volume konstan. Dengan memperhitungkan variasi kalor spesifik sebagai fungsi temperatur, hitunglah: a. Temperatur dan tekanan pada akhir proses pemasukan b. Kerja bersih c. Efisiensi thermal siklus d. Tekanan efektif rata-rata vr4 115,7 115,76 121,2 T4 (K) 580 579,891 570 u4(kJ/kg) 419,55 419,467 411,97 h4 (kJ/kg) 586,04 585,926 575,59

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 8 e. Bila temperatur sumber 2000 K dan temperatur sink 300 K hitung total irreversibilitas proses, dan availability pada akhir langkah tenaga Penyelesaian Gambar 1. 5 Diagram P-v dan T-s contoh 1.2.2 Diketahui Fluida : udara dengan Cp dan Cv bervariasi terhadap temperatur. Meski Cp dan Cv bervariasi tetapi R = Cp – Cv nilainya konstan. Untuk udara : R = 0,287 kJ/(kg.K) Compression ratio : r 2 1 = = 8 P1 = 95 kPa T1 = 27oC = 300K To = Tsink = 300K Tsource = 2000K qin = 750 kJ/kg a). Volume spesifik pada titik 1 adalah: v1 = 1 1 P R.T = 95 kPa 0,287(kJ/kg.K) x 300K = 0,9063 m3 /kg Volume spesfik pada akhir langkah kompresi (titik 2) 2 1 = 8 ➔ v2 = 0,1133 m3 /kg Persamaan ( ) k 1 v 1 2 r T T − = atau ( ) k v 1 2 r P P = tidak dapat dipakai karena nilai k merupakan fungsi temperatur dan harus ditentukan berdasarkan harga T2, padahal T2 belum diketahui. Dari tabel berdasarkan harga T1 = 27oC = 300K: u1 = 214,07 kJ/kg vr1 = 621,2 Untuk proses 1-2: 1 2 r1 r2 = v 2 3 P s 2 T 1 4 3 qin qout 1 qin 4 qout

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 9 v r1 r2 r = 8 621,2 = = 77,65 Berdasarkan harga vr2 = 77,65 dari tabel diperoleh: T2 = 673,09 K u2 = 491,22 kJ/kg s2 o = 1,70203 kJ/(kg.K) Tekanan pada akhir langkah kompressi: P2 = 2 R.T2 = 0,1133 m / kg 0,287(kJ/kg.K) x 673,09K 3 = 1705,00 kPa Jumlah kalor yang disuplai ke sistem: qin = u3 – u2 u3 = qin + u2 = (750 + 491,22) kJ/kg = 1241,22 kJ/kg Berdasarkan u3 = 1241,22 kJ/kg dari tabel diperoleh: T3 = 1538,70 K vr3 = 6,588 s3 o = 3,47608 kJ/(kg.K) Tekanan pada akhir proses pemasukan kalor (P3) P3 = 3 R.T3 ➔ v3 = v2 = 0,1133 m3 /kg = kg m 0,1133 0,287(kJ/kg.K) x 1538,7K 3 = 3897,68 kPa b). Proses 3-4 ➔ ekspansi isentropik 3 4 r3 r4 = ➔ v4 = v1 ; v2 = v3 r3 2 1 r4 r3 = r = = 6,588 x 8 = 52,704 Berdasarkan harga vr4 = 52,704dari tabel diperoleh: T4 = 774,54 K u4 = 571,72 kJ/kg Besarnya kalor yang dibuang dari sistem: qout = u4 – u1 = (571,72 – 214,07) kJ/kg = 357,65 kJ/kg ➔ Kata in dan out telah menyatakan arah dari suatu proses. Jadi kalor yang keluar dari sistem yang harusnya bernilai negative tetapi karena sudah ada kata out berarti kalor keluar dari sistem. Akan tetapi: qout = – q4−1 Sebab q4−1 = u1 – u4 = – 357,65 kJ/kg

Termodinamika II\ Siklus Daya Gas\Siklus Otto Yesung A.P.\\Teknik Mesin UNRAM\\ Semester Genap 2022 – 2023 Halaman 10 Kerja bersih siklus: wnet = qin – qout = (750 – 357,65) kJ/kg = 392,35 kJ/kg c). Efisiensi thermal siklus: η = in net q w = 750 392,35 = 52,31 % d). Mean effective pressure: mep = 1 2 wnet − = 0,9063 0,1133 392,35 − = 494,77 kPa