Dokumen tersebut membahas siklus termodinamika yang ideal untuk mempelajari motor bakar, termasuk siklus Otto, Diesel, dan siklus tekanan terbatas. Siklus-siklus tersebut didasarkan pada asumsi gas ideal dan proses adiabatis dan isentropik untuk menganalisis proses kimia dan termodinamika yang kompleks di dalam motor bakar.

1. Marfizal, ST.MT
Pertemuan: 7
Program Studi Teknik Mesin
Sekolah Tinggi Teknologi Nasional Jambi
Mesin Konversi Energi
Motor Bakar
SIKLUS MOTOR BAKAR

2. Siklus Termodinamika Motor Bakar
Analisa siklus termodinamika sangat penting untuk mempelajari motor
bakar. Proses kimia dan termodinamika yang terjadi pada motor bakar
sangatlah rumit untuk dianalisis. Jadi diperlukan suatu siklus yang diidealkan
sehingga memudahkan untuk menganalisa motor bakar. Siklus yang
diidealkan tentunya harus mempunyai kesamaan dengan siklus sebenarnya.
Sebagai contoh kesamaannya adalah urutan proses, dan perbandingan
kompresi. Di dalam siklus aktual, fluida kerja adalah campuran bahan-
bakar udara dan produk pembakaran, akan tetapi di dalam siklus yang
diidealkan fluidanya adalah udara. Jadi siklus ideal bisa disebut dengan
siklus udara

3. Siklus udara ideal
Penggunaan siklus ini berdasarkan beberapa asumsi
adalah sebagai berikut :
1. Fluida kerja dianggap udara sebagai gas ideal dengan
kalor sepesifik konstan (tidak ada bahan bakar).
2. Langkah isap dan buang pada tekan konstan
3. Langkah kompresi dan tenaga pada keadaan adiabatis.
4. Kalor diperoleh dari sumber kalor dan tidak ada proses
pembakaran atau tidak ada reaksi kimia

4. 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)

5. 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)

6. 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

7. Siklus Ideal Otto
udara
udara
udara
udara
Isentropik
kompresi
p =konstan
penambahan panas
Isentropik
ekspansi p =konstan
pembuangan panas

8. Siklus Ideal Diesel
1. Fluida kerja dianggap gas ideal
2. Langkah isap (0-1) merupakan proses
tekanan konstan.
3. Langkah kompresi (1-2) merupakan
proses adiabatis
4. Proses pembakaran tekanan konstan (2-3)
dianggap sebagai proses pemasukan
kalor pada tekanan konstan.
5. Langkah kerja (3-4) merupakan proses
adiabatis
6. Proses pembuangan kalor (4-1) dianggap
sebagai proses pengeluaran kalor pada
volume konsatan
7. Langkah buang (1-0) merupakan proses
tekanan konstan

9. 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

  


10. 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

11. th Otto
T T
T T
T T T
T T T
,
( )
( )
( / )
( / )
 


 


1
1
1
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



12. The Otto cycle efficiency becomes
th Otto
T
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 k
r
,   
1
1
1

13. 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 k
r
,   
1
1
1

14. 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. 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. 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. 17
th Diesel
v
p
C T T
C T T
k
T T T
T T T
,
( )
( )
( / )
( / )
 


 


1
1
1 1
1
4 1
3 2
1 4 1
2 3 2
What is T3/T2 ?
PV
T
PV
T
P P
T
T
V
V
rc
3 3
3
2 2
2
3 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. 18
What is T4/T1 ?
PV
T
PV
T
V V
T
T
P
P
4 4
4
1 1
1
4 1
4
1
4
1
 

where
Recall processes 1-2 and 3-4 are isentropic, so
PV PV PV PV
k k k k
1 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. 19
th Diesel
c
k
c
k
c
k
c
k
T T T
T T T
k
T
T
r
r
r
r
k r
,
( / )
( / )
( )
( )
 


 


 



1
1 1
1
1
1 1
1
1
1 1
1
1 4 1
2 3 2
1
2
1
 
th Diesel th Otto
, ,
 r r
Diesel Otto
  
th Diesel th Otto
, ,

When rc > 1 for a fixed r, . But, since , .
Therefore,

20. 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

21.  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
2
1
1
2
1
1
1
2
1
2
)
(
































k
k
k
k
k
r
V
V
P
P
T
T


udara
jenis
berat
sisa
volume
V
torak
langkah
volume
V
V
V
V
V
V
r
dengan
s
L
s
s
L







2
1

22.  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)

23.  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 dibuang
Q4-1 = -ΔU = U1 – U4 = m Cv (T1 – T4) (negatif, pembuangan kalor)
1
3
4
1
4
3
1
3
4
3
4






























k
a
k
a
k
k
a
a V
V
P
P
T
T


 Proses 1-0 (langkah buang)
Torak bergerak dari TMB → TMA
Fluida kerja dikenai kerja, sebesar :
W1-0 = P0 (V1 – V0) (negatif, fluida kerja dikenai kerja)

24.  Kerja yang dihasilkan oleh siklus tiap kg udara
w = (u3 – u2) + (h3a – h3) - (u1 – u4)
qmasuk qkeluar
 Effisiensi siklus
   




















































































1
1
1
1
1
1
1
1
1
)
(
)
(
)
(
1
1
input
kalor
siklus
kerja
1
2
3
3
3
2
3
3
3
2
3
2
3
1
4
2
1
3
3
2
3
1
4
c
c
c
r
k
r
r
maka
V
V
V
V
r
dan
P
P
bila
T
T
T
T
k
T
T
T
T
T
T
atau
T
T
c
T
T
c
T
T
c
Q
Q
k
t
a
a
a
t
a
p
v
v
in
out
t








25.  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