Siklus Otto.docx

MODUL PEMBELAJARAN TERMODINAMIKA II SIKLUS OTTO

Disusun Oleh: 1. Ryanda Zein Ahmad R (1421600128) 2. Muh. Krisma Eko Purnomo (1421600147)

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS 17 AGUSTUS 1945 SURABAYA 2018

A. Definisi Siklus Otto Siklus Otto merupakan siklus yang paling banyak digunakan di kehidupan manusia, mobil dan motor contohnya. Niklaus August Otto pada tahun 1876 menciptakan mesin dengan empat dorongan pembakaran. Pada motor bensin, udara dan bahan bakar yang tercampur didalam karburator, terhisap ke dalam ruang bakar saat piston bergerak turun lalu dikompresikan ketika piston bergerak naik hingga mencapai tekanan dan temperatur tertentu. Pada akhir langkah kompresi, busi memercikan bunga api sehingga terjadi pembakaran dan besarnya perbandingan kompresi dibatasi oleh temperatur terbakarnya bensin.

B. Siklus Otto 4 Langkah dan Siklus Otto 2 Langkah 1.1. Siklus Otto 4 Langkah Siklus engine empat langkah adalah empat kali langkah piston, dua kali putaran crankshaft dan satu kali putaran camshaft untuk mencapi satu kali langkah tenaga/usaha, adapun langkah-langkahnya yaitu :  Intake/ Pemasukan Udara Piston bergerak turun dari TMA (Titik Mati Atas) sampai TMB (Titik Mati Bawah). Gerakan piston ini menyebabkan kehampaan di ruang bakar. Piston bergerak gerakan (turun). Pada saat ini katup masukan juga dibuka, maka campuran bahan bakar dan udara yang berasal dari karburator, masuk ke ruang bakar. Katup keluaran ditutup. Crankshaft berputar 180 derajat danCamshaft berputar 90 derajat.

 Compressi Klep masukan dan klep keluaran ditutup.Piston terdorong ke atas dari TMB menuju TMA karena ada momentum dari flywheel. Dorongan piston ini mendesak campuran udara dan bahan bakar di dalam ruang bakar yang tadi masuk ketika langkah hisap. Karena tekanannya sangat tinggi, campuran udara dan bahan bakar akan sangat mudah terbakar. Piston naik ke atas berarti udah gerakan piston kedua. Crankshaft berputar 180 derajat, berarti sampai langkah kompresi, crankshaft sudah berputar satu kali putaran atau 360 derajat. Camshaft berputar 90 derajat, berarti camshaft sudah berputar 180 derajat Ketika campuran bahan bakar dan udara selesai dikompresi yang mengakibatkan mereka berdua menjadi sangat mudah terbakar, busi menghasilkan percikan api dan terjadi ledakan.  Power/ Tenaga Piston terdorong dari TMA ke TMB, dalam hal ini piston melakukan usaha, maka dinamakan langkah usaha. Piston bergerak ke bawah (gerakan ketiga). Gerakan usaha yang linier ini diteruskan ke kruk as agar menjadi gerakan rotasi atau putaran. Energi putaran ini disalurkan ke flywheel yang berfungsi menyimpan tenaga dan momentum. Flywheel bertugas memberikan energi ketika piston sedang tidak melakukan langkah usaha. Jadi pada langkah hisap, kompresi dan buang, flywheel lah yang membuat mesin tetap berputar.

Kedua katup masih menutup. Camshaft berputar lagi 90 derajat, maka total sudah berputar 270 derajat. Kruk as berputar lagi 180 derajat, maka total sudah berputar 540 derajat.  Exhaust/ Pembuangan Piston bergerak ke atas (gerakan keempat), karena gaya dari flywheel. Valve keluaran dibuka crankshaft berputar 180 derajat, maka total putaran hingga langkah buang ini adalah 720 derajat atau dua kali rotasi. Camshaft berputar 90 derajat, maka total putaran adalah 1 putaran (360 derajat).

Diagram P-v dan T-s Siklus Otto 4 Langkah.

1.2. Siklus Otto 2 Langkah

Siklus engine 2 langkah adalah motor yang menyelesaikan satu siklus dalam dua langkah piston atau satu putaran poros crankshaft. Gerakan piston ke TMA adalah untuk mengadakan proses ekspansi. Pengisian muatan segar ke dalam silinder dilaksanakan ketika tekanan muatan itu melebihi tekanan gas di dalam silinder. Pada keadaan tersebut, saluran pengisi ada dalam keadaan terbuka. Untuk itu, muatan segar harus memiliki tekanan yang lebih tinggi dari tekanan atmosfir. Cara kerja engine 2 langkah seperti berikut.  Langkah kompresi dan langkah isap (Piston Stroke) Piston bergerak dari TMB (titik mati bawah) ke TMA (titik mati atas). Ruang dibawah piston menjadi vakum/hampa udara, akibatnya udara dan campuran bahan bakar terisap masuk ke dalam ruang dibawah piston. Pada saat saluran pembiasan tertutup mulai dilakukan langkah kompresi pada ruang silinder. Pada saat saluran hisap membuka maka campuran udara dan bensin akan masuk ke dalam ruang engkol. Pada saat 10-5 derajat sebelum TMA, busi memercikan bunga api, sehingga campuran udara dan bahan bakar yang telah naik temperatur dan tekanannya menjadi terbakar dan meledak.

 Langkah usaha dan buang (Piston Down Stroke) Dan pada langkah ini terjadi langkah usaha dan buang yang terjadi pada saat yang tidak bersamaan, jadi langkah usaha dahulu barulah setelah saluran pembiasan dan saluran buang terbuka terjadi langkah buang. Yang terjadi dalam langkah ini adalah sebelum piston mencapai TMA (titik mati atas), busi akan memercikkan bunga api listrik sehingga campuran udara dan bahan bakar akar terbakar dan menyebabkan ledakan maka timbullah daya dorong terhadap piston, sehingga piston akan bergerak dari TMA (titik mati atas) ke TMB (titik mati bawah). Sesaat setelah saluran hisap tertutup dan saluran bilas serta saluran buang membuka maka campuran udara dan bahan bakar yang berada di ruang engkol akan mendorong gas sisa hasil pembakaran melalui saluran bias ke saluran.

Diagram P-v dan T-s Siklus Otto 2 Langkah.

C. Diagram Siklus Otto Proses didalam motor bensin/gas pembakaran bahan bakar berlangsung pada volume tetap. Berdasarkan siklus otto proses dalam silinder dapat digambarkan dengan diagram P-Vdan T-S sebagai berikut:

Siklus Otto ideal terdiri dari empat proses reversibel internal, proses 1-2 merupakan kompresi isentropic yang terjadi selama piston bergerak dari TMB menuju TMA. Proses 2-3 merupakan proses pelepasan kalor pada volume tetap ketika piston berada pada waktu TMA. Proses 3-4 merupakan proses ekspansi isentropic (langkah kerja). Proses 4-1 merupakan proses yang terjadi pada volume konstan di mana kalor akan dikeluarkan dari udara pada saat berada pada TMB. Karena siklus Otto standart-udara terdiri dari proses yang secara internal reversible, daerah pada diagram T-s dan p-v secara berturut-turut dapat diartikan sebagai kalor dan kerja. Analisis siklus. Siklus Otto standar-udara terdiri dari dua bauh proses di mana terjadi kerja tetapi tidak terjadi perpindahan kalor. Proses 1-2 dan 2-3 dan hubungan dua proses di mana terjadi perpindahan kalor tetapi tidak terjadi kerja. Proses 2-3 dan 4-1, hubungan di antara perpindahan energy ini dapat disederhanakan dengan menganggap bahwa perubahan energy kinetic dan

potensial yang terjadi pada kesetimbangan energy di dalam system tertutup dapat diabaikan. Hasilnya adalah: 𝑊12 = 𝑢2 − 𝑢1 , 𝑚 𝑄23 = 𝑢3 − 𝑢2 , 𝑚

𝑊34 = 𝑢3 − 𝑢4 𝑚 𝑄41 = 𝑢4 − 𝑢1 𝑚

Dalam menganalisis siklus, sering kali lebih mudah jika kita menganggap seluruh kerja dan perpindahan kalor sebagai kuantitas positif. Jadi, 𝑊12 /𝑚 merupakan angka positif yang menunjukkan besarnya kerja yang dimasukkan selama langkah kompresi dan 𝑄41 /𝑚 merupakan angka positif yang menunjukkan kalor yang dikeluarkan di dalam proses 4-1. Kerja netto dari siklus dapat dinyatakan sebagai berikut: 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑊34 𝑊12 = − = (𝑢3 − 𝑢4 ) − (𝑢2 − 𝑢1 ) 𝑚 𝑚 𝑚 Sebagai alternative, besarnya kerja netto dapat dievaluasi sebagai kalor netto yang ditambahkan: 𝑊𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑊23 𝑊41 = − = (𝑢3 − 𝑢2 ) − (𝑢4 − 𝑢1 ) 𝑚 𝑚 𝑚 Efisiensi termal merupakan niali perbandingan antara besarnya kerja netto di dalam siklus dengan kalor yang ditambahkan: 𝜂=

(𝑢3 − 𝑢2 ) − (𝑢4 − 𝑢1 ) 𝑢4 − 𝑢1 =1− 𝑢3 − 𝑢2 𝑢3 − 𝑢2

Ketika menggunakan tabel data udara dalam melakukan analisis yang melibatkan siklus Otto standar-udara. Nilai internal energy spesifik yang dibutuhkan dapat diperoleh dari tabel A-22 atau A-22E seperti yang diperlukan. Berikut adalah sebuah hubungan yang berlaku untuk proses isentropic 1-2 dan 3-4. 𝑉2 𝑣𝑟1 𝑣𝑟2 = 𝑣𝑟1 ( ) = 𝑉1 𝑟

𝑉4 𝑣𝑟4 = 𝑣𝑟3 ( ) = 𝑟𝑣𝑟3 𝑉3 Di mana r menyatakn rasio kompresi. Pertahatikan bahwa karena 𝑉3 = 𝑉2 dan 𝑉4 = 𝑉1 , maka 𝑟 = 𝑉1 /𝑉2 = 𝑉4 /𝑉3 . Parameter 𝑣𝑟 ditabulasikan terhadap temperature untuk udara di dalam tabel A-22. Pada saat siklus Otto dianalisis dengan berdasarkan standar-air dingin, akan digunakan untuk proses isentropic, beturut-turut menggantikan persamaan sebelumnya: 𝑇2 𝑇1 𝑇4 𝑇3

𝑉

= (𝑉1 )

𝑘−4

2

𝑉

𝑘−1

= (𝑉3 ) 4

= 𝑟 𝑘−4 1

= 𝑟 𝑘−1

(k konstan) (k konstan)

Dimana k merupakan nilai rasio kalor spesifik, 𝑘 = 𝑐𝑝 /𝑐𝑣 Efisiensi termal siklus Otto ideal ini tergantung dari besarnya rasio kompresi mesin dan rasio kalor spesifik dari fluida kerjanya. Efisiensi siklus akan naik bila rasio kompresi dan rasio kalor spesifik semakin besar seperti pada diagram di bawah ini.

Contoh Soal Suatu siklus Otto (fluida udara, dan H2) bekerja dengan nisbah kompresi sebesar 9: 1 pada kondisi pemasukan berupa 14 psia dan (70 F+ 2 NBI). Volume silinder pada awalnya (125 + 2 NBI)𝑖𝑛3 . Apabila (4 + 2 NBI) Btu energi ditambahkan sebagai panas ke gas selama proses pemanasan volume konstan. Hitunglah efisiensi siklus tersebut. Penyelesaian: 𝑟 = 𝑉1 /𝑉2 = 9 𝑃1 = 14 𝑝𝑠𝑖𝑎, 𝑇1 = 70 + 28 = 98 𝐹 + 460 = 558 𝑅 𝑉𝑎 = 125 + 28 = 153 𝑖𝑛3 , 𝑄𝑖𝑛 = 4 + 28 = 32 𝑘−1 𝑘

𝑇2 𝑃2 =( ) 𝑇1 𝑃1

𝑉1 𝑘−1 =( ) 𝑉2

𝑉1 𝑘−1 𝑇2 = 𝑇1 ( ) 𝑉2 = 558(9)1,4−1 𝑇2 = 1343,7 𝑅 𝑉1 =

𝑅. 𝑇1 53,34 . 558 29763,72 = = = 14,7𝑓𝑡 3 /𝑙𝑏𝑚 𝑃1 14 × 144 2016

𝑚=

𝑉𝑎 153 = = 0,006 𝑙𝑏𝑚 𝑉1 14 × 123

𝑄𝑖𝑛 = 𝐶𝑣 (𝑇3 − 1343,7)0,006 32 = 0,172(𝑇3 − 1343,7)0,006 𝑇3 = 7490 + 1343,7 = 8833,7 𝑅 Mencari 𝑉2: 𝑉1 14,7 = = 1,63 𝑓𝑡 3 /𝑙𝑏𝑚 𝑟 9 𝑉2 1,63 𝑉3 = 𝑇3 = 8833,7 = 10,7 𝑓𝑡 3 /𝑙𝑏𝑚 𝑇2 1343,7 𝑉2 =

𝑇3 𝑉4 𝑘−1 𝑉3 𝑘−1 10,7 𝑘−1 =( ) 𝑇4 = 𝑇3 ( ) 8833,7 ( ) = 7779,4 𝑇4 𝑉3 𝑉4 14,7 𝑄𝑜𝑢𝑡 = 𝐶𝑣 (𝑇4 − 𝑇1 ) = 0,172(7779,4 − 558)0,006 = 7,4 𝐵𝑡𝑢 𝜂=

𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡 32 − 7,4 = = 76% 𝑄𝑖𝑛 32

DAFTAR PUSTAKA Generic Maintenance Training Engine PT. Kaltim Prima Coal. Ebook Sistem Tenaga Gas. https://www.slideshare.net/alipane/modul-thermodinamika-penyelesaiansoal-siklus-pembangkit-daya