Upload
rizkylegowo
View
241
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
MBTP
Citation preview
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
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 TMA TMB- 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 Otto1. Fluida kerja dianggap gas ideal2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses
tekanan konstan.3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan
proses isentropik4. Proses pembakanan pada volume konstan
(2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses
isentropik6. 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:
thnet
in
net
in
in out
in
out
in
WQ
Q QQ
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 Tnet
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 Ottoout
in
v
v
QQmC T TmC T T
,
( )( )
1
1 4 1
3 2
th OttoT TT TT T TT T T
,( )( )
( / )( / )
1
1 11
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 thatTT
TT
orTT
TT
2
1
3
4
4
1
3
2
The Otto cycle efficiency becomes
th OttoTT, 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, 1 11
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, 1 11
Siklus Ideal Diesel (Tekanan Konstan)
1. Fluida kerja dianggap gas ideal2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses
tekanan konstan.3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan
proses isentropik4. Proses pembakanan pada tekanan konstan
(2 → 3) adalah proses pemasukan kalor.5. Langkah kerja (3 → 4) merupakan proses
isentropik6. Langkah pembuangan (4 → 1) dianggap
sebagai proses pengeluaran kalor pada volume konstan.
7. Langkah buang (1 → 0) terjadi pada tekanan konstan
15
Thermal efficiency of the Diesel cycle
th Dieselnet
in
out
in
WQ
QQ, 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 heatsQ 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 Dieselout
in
v
p
QQmC T TmC T T
,
( )( )
1
1 4 1
3 2
17
th Dieselv
p
C T TC T T
kT T TT T T
,( )( )
( / )( / )
1
1 1 11
4 1
3 2
1 4 1
2 3 2What is T3/T2 ?
PVT
PVT
P P
TT
VV
rc
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 ?
PVT
PVT
V V
TT
PP
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
kT T TT T T
kTT
rr
rrk r
,( / )( / )
( )
( )
1 1 11
1 1 11
1 1 11
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 ideal2. Langkah isap (0 → 1) merupakan proses
tekanan konstan.3. Langkah kompresi (1 → 2) merupakan
proses isentropik4. Proses pemasukan kalor pada volume
konstan (2 → 3).5. Proses pemasukan kalor pada tekanan
konstan (3 → 3a)6. Langkah kerja (3a → 4) merupakan proses
isentropik7. 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
211
2
1
1
1
2
1
2 )(
kk
kkk
rVV
PP
TT
udarajenisberatsisavolumeV
toraklangkahvolumeVVVV
VVrdengan
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
akk
aa VV
PP
TT
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
11111
11
11
)()()(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
rkr
r
makaVV
VVrdan
PP
bila
TT
TTk
TT
TT
TT
atau
TTcTTcTTcQQ
k
t
aa
at
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
26
The compression ratio r of an engine is the ratio of the maximum volume to the minimum volume formed in the cylinder.
r VV
VVBDC
TDC
maxmin
The mean effective pressure (MEP) is a fictitious pressure that, if it operated on the piston during the entire power stroke, would produce the same amount of net work as that produced during the actual cycle.
MEP WV V
wv v
net net
max min max min