Motor bakar mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi panas dan daya melalui proses pembakaran dalam silinder dan langkah kerja piston."

1. MOTOR BAKAR
Kuliah I

2. 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

3. Motor Bakar
Bahan Bakar
Daya
Motor Bakar
• Automobiles
• Power Generation
• Submarines
• Diesel Locomotive
Energi Kimia Energi Panas Power

4. Motor Bakar

5. • 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

6. 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.

7. 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)

8. 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

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

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 PVk 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 rDiesel 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
21
1
2
1
1
1
2
1
2
)(























k
k
k
k
k
r
V
V
P
P
T
T


udarajenisberat
sisavolumeV
toraklangkahvolumeV
V
VV
V
V
rdengan
s
L
s
sL






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
aa 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
   































































11
11
1
11
1
1
)()(
)(
1
1
inputkalor
sikluskerja
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
V
rdan
P
P
bila
T
T
T
T
k
T
T
T
T
T
T
atau
TTcTTc
TTc
Q
Q
k
t
aa
a
t
apv
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

26. 26
The compression ratio r of an engine is the ratio of the maximum
volume to the minimum volume formed in the cylinder.
r
V
V
V
V
BDC
TDC
 
max
min
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
W
V V
w
v v
net net



max min max min