prinsip kerja motor

1. DASAR KERJA MOTOR BAKAR
1. Prinsip Kerja Motor Bakar Torak
Prinsip dasar kerja motor bakar adalah adanya pemanasan pada ruang tertutup yang
menyebabkan pemuaian gas yang pada gilirannya menaikkan tekanan gas. Agar tekanan
gas tersebut dapat diubah menjadi daya mekanika, dibuatlah rancangan berupa silinder
yang ditutup mati pada ujung yang satu sedang ujung lain ditutup dengan torak yang dapat
bergeser sepanjang silinder (lihat Gambar. 1). Mula-mula posisi piston adalah di a. Piston
tersebut akan bergeser jika terjadi perbedaan tekanan antara kedua sisinya. Pada saat
terjadi pemanasan di dalam ruang silinder, terjadilah tekanan yang lebih besar dari tekanan
atmosfir. Tekanan tersebut mampu menggeser piston sepanjang silinder ke arah kanan (ke
titik b) pada Gambar 1 berikut ini sehingga ruang dalam silinder akan bertambah besar. Jika
tekanan yang dihasilkan oleh pemanas pada ruang dalam silinder cukup besar maka gaya
yang diterima piston akan besar pula sehingga mampu mendorong beban di sebelah kanan
piston.
Gambar 1: Silinder dengan piston yang dapat bergerak bebas.
Gambar 1: Silinder dengan piston yang dapat bergerak bebas.
Pada kontruksi pada gambar 1 di atas, setelah piston bergeser ke kanan dan tekanan di kiri
dan kanan piston berimbang, gerakan piston akan berhenti. Kontruksi semacam ini kurang
bisa dimanfaatkan untuk keperluan praktis. Agar kerja dorongan piston dapat dimanfaatkan
untuk berbagai keperluan praktis, pada sisi luar piston tersebut disambungkan tuas yang
dihubungkan ke sebuah poros engkol. Poros engkol tersebut berfungsi mengubah gerak
translasi piston menjadi gerak rotasi. Daya berbentuk putaran poros engkol ini dapat
dimanfaatkan untuk berbagai keperluan.
2. Dasar Termodinamika : Kesetaraan Panas Dan Gerak
Kerja motor bakar didasarkan pada hukum kesetaraan panas dan gerak atau hukum
termodinamika. Hukum I termodinamika berbunyi: Energi dapat diubah dari bentuk satu ke
bentuk lainnya secara timbal balik. Energi yang dimiliki suatu sistem tertutup serta
tersungkup besarnya tetap. Salah satu bentuk perubahan energi yang teramati ialah dari
panas ke gerak. Dalil ini berasal dari pengamatan empirik yang memperlihatkan bahwa
panas bisa berubah menjadi tenaga gerak. Contoh nyata yang mudah ditemui sehari-hari
sejak dulu ialah air di ceret yang dipanaskan bisa menggerakkan tutupnya ketika mendidih,
atau gas hasil pembakaran yang mampu menggerakkan dedaunan yang berada di atas
unggun. Adanya pengetahuan inilah yang mendorong orang berpikir tentang mesin yang
secara sengaja mencoba mengubah energi panas menjadi gerakan yang dapat
dimanfaatkan. Gagasan tersebut kemudian akhirnya berhasil diwujudkan orang, salah
satunya dalam bentuk motor bakar.

2. Hukum kedua termodinamika juga berasal dari wilayah empirik yaitu bahwa panas tidak bisa
seluruhnya diubah menjadi gerak, selalu ada panas yang pergi ke lain jurusan. Dengan kata
lain, tidak ada mesin yang mampu mengubah seluruh tenaga panas dari sumbernya menjadi
tenaga gerak.
Siklus Otto
Perhitungan secara teori pada siklus ideal akan mencakup 4 proses ialah kompresi, ekspansi,
pemanasan, dan pendinginan. Gambar berikut adalah diagram tekanan-volume (P-V) siklus
ideal motor 4 langkah volume tetap (siklus Otto).
Gambar 4. Diagram P-V pada siklus Otto
Gambar 4. Diagram P-V pada siklus Otto
Langkah 0-1 adalah langkah isap, langkah 1-2 adalah langkah pemampatan, garis 2-3
adalah pembakaran secara cepat yang menghasilkan pemanasan gas pada volume konstan,
langkah 3-4 adalah langkah ekspansi gas panas, sedang segmen 4-1 turunnya tekanan
secara tiba-tiba karena dibukanya katup buang. Setelah itu gas dibuang pada langkah 1-0.
Asumsi yang digunakan pada siklus seperti pada gambar di atas beserta penjelasannya
adalah sebagai berikut:
1. Langkah isap (0-1) dan langkah buang (1-0) dianggap sebagai proses tekanan tetap.

3. 2. Langkah pemampatan (1-2) dianggap berlangsung secara adiabatik, karena proses
tersebut berlangsung sangat cepat sehingga dianggap tidak ada panas yang sempat
keluar sistem.
3. Proses pembakaran (garis 2-3) dianggap sebagai pemasukan (pengisian) kalor pada
volume konstan.
4. Langkah kerja (3-4) dianggap juga berlangsung adiabatik. Penjelasan sama dengan
nomor 2.
5. Proses penurunan tekanan karena pembukaan katup buang (garis 4-1) dianggap
sebagai pengeluaran (pembuangan) kalor pada volume tetap.
6. Fluida kerja dianggap gas ideal sehingga memenuhi hukum-hukum gas ideal.
Sesuai hukum 1 termodinamika, kesetaraan panas dan gerak dapat dituliskan sebagai
persamaan energi sebagai berikut:
Q = D U + W …………………..(9)
Dengan
Q = panas yang keluar atau masuk sistem (joule)
U = perubahan energi dalamD (joule)
W = kerja yang diberikan sistem (joule).
Rancangan motor bakar diinginkan agar mampu mengubah sebanyak-banyaknya energi
panas menjadi gerak. Untuk itu diperlukan pengetahuan teori mengenai efisiensi sistem
tersebut. Dalam hal ini, efisiensi dari siklus Otto ialah:
e = W / Qin………………….(10)
dengan Qin ialah panas yang dimasukkan ke dalam sistem.
Pada siklus di atas D U = 0, karena pada akhir siklus posisi grafik kembali ke titik semula
(atau keadaan fluida pada akhir siklus sama seperti pada awal siklus), sehingga
W = Qin – Qout ………………..(11)
dengan Qout ialah panas yang dikeluarkan dari sistem.
Dengan demikian, efisiensi siklus akan sebesar
Persamaan penambahan panas pada volume konstan pada siklus di atas ialah:
Qin = M cv (T3 – T2)
Sedang pengeluaran panas pada volume tetap ialah

4. Qout = M cv (T4 – T1)
Dengan cv ialah panas spesifik udara pada volume tetap. (Notasi 1, 2, 3, dan 4 pada
persamaan di atas adalah sesuai dengan titik-titik pada grafik dalam gambar 4 di atas.)
Sehingga efisiensi siklus ialah
Proses 1-2 dan 3-4 adalah adiabatik, sehingga
dan
Sedangkan dari grafik terlihat bahwa V1 = V4 dan V3 =- V2, sehingga
Dengan demikian maka
Sehingga efisiensi siklus pada persamaan (a) akan menjadi

5. Dalam hal in r = V1/V2 adalah perbandingan kompresi motor.
Dari persamaan di atas terlihat bahwa efisiensi siklus ideal Otto akan sebanding dengan
perbandingan kompresi dan tidak tergantung pada besarnya pemasukan dan pengeluaran
panas.
Siklus Diesel
Gambar berikut adalah diagram tekanan-volume (P-V) siklus ideal motor 4 langkah tekanan
tetap (siklus diesel). Langkah 0-1 adalah langkah isap, langkah 1-2 adalah langkah
pemampatan, langkah 2-3 adalah pembakaran yang menghasilkan pemanasan gas pada
tekanan konstan, langkah 3-4 adalah langkah ekspansi gas panas, sedang segmen 4-1
turunnya tekanan secara tiba-tiba karena dibukanya katup buang. Setelah itu gas dibuang
pada langkah 1-0.
Asumsi yang digunakan pada siklus diesel ini sama dengan pada siklus Otto, kecuali langkah
penambahan panas. Pada siklus diesel langkah 2-3 merupakan penambahan panas pada
tekanan konstan.
Gambar 6. Diagram P-V pada siklus diesel
Gambar 6. Diagram P-V pada siklus diesel
Sebagaimana pada siklus Otto, efisiensi siklus adalah (persamaan 12):

6. Persamaan penambahan panas pada tekanan konstan pada siklus di atas ialah:
Qin = M cp (T3 – T2)
Sedang pengeluaran panas pada volume tetap ialah
Qout = M cv (T4 – T1)
Sehingga efisiensi siklus ialah
Dalam hal ini cv/cp = k, sehingga
Proses penambahan panas pada 2-3 adalah pada tekanan tetap, sehingga
atau
Proses 3-4 adalah adiabatik, sehingga
atau
dengan mengganti T3 dengan ruas kanan pada persamaan (c), maka

7. Karena proses 1-2 adalah adiabatik, sedang V4=V1 (lihat grafik), maka
Dengan demikian persamaan (d) akan menjadi
Atau
Dengan demikian efisiensi siklus pada persamaan (b) akan menjadi
Karena
Maka

8. Dengan (V1/V2)k-1 = r adalah perbandingan kompresi motor, maka efisiensi bisa ditulis
sebagai
Dari persamaan di atas terlihat bahwa efisiensi siklus diesel tergantung pada perbandingan
kompresi dan perbandingan V3/V2.(untuk memudahkan, diberi notasi b). Efisiensi akan
bertambah dengan memperbesar perbandingan kompresi, dan akan berkurang dengan
bertambahnya b. Pada persamaan di atas, jika harga b mendekati 1 maka efisiensi siklus
akan mendekati harga efisiensi siklus Otto. Dari persamaan tersebut terlihat juga bahwa
pada perbandingan kompresi dan pemasukan panas yang sama, efisiensi siklus Otto lebih
tinggi dibanding efisiensi siklus diesel.
Kerja yang dihasilkan per siklus
Baik pada siklus Otto maupun siklus Diesel, kerja yang dihasilkan pada langkah ekspansi
merupakan sumber tenaga gerak serta memungkinkan motor menghasilkan daya. Pada
siklus Otto maupun siklus Diesel, setiap siklusnya kerja yang dihasilkan adalah = kerja yang
dihasilkan pada langkah ekspansi dikurangi kerja yang dibutuhkan pada langkah kompresi.
Siklus sebenarnya
Baik siklus Otto maupun siklus Diesel adalah siklus ideal. Ada beberapa hal yang tidak sesuai
dengan keadaan yang sesungguhnya. Pada keadaan yang sesungguhnya fluida yang berada
di dalam ruang silinder bukanlah hanya udara semata melainkan berisi campuran udara dan
bahan bakar. Selain itu langkah isap maupun langkah buang pada keadaan yang sebenarnya
bukan terjadi pada tekanan konstan. Langkah isap terjadi pada tekanan sedikit di bawah
tekanan atmosfir, sedang langkah buang terjadi pada tekanan di atas tekanan atmosfir.
Proses pemasukan panas pada siklus sebenarnya terjadi karena pembakaran campuran
bahan bakar dan udara yang berada di dalam silinder. Dalam keadaan sebenarnya, pada
motor bensin tidak mungkin terjadi penyalaan yang seketika (dengan waktu = 0), sehingga
tidak ada pemasukan panas yang terjadi pada volume konstan seperti diidealkan oleh siklus
Otto. Siklus kerja motor bensin bisa dianalisis menggunakan pendekatan siklus Otto, karena
kurvanya memang mendekati kurva siklus Otto.
Pada motor diesel, juga tidak terjadi penyalaan pada tekanan konstan, karena penyalaan
tentu tidak bisa diatur agar persis menghasilkan kenaikan tekanan yang tepat seimbang
dengan penurunan tekanan karena pergeseran torak. Namun demikian siklus kerja motor
diesel bisa dianalisis menggunakan pendekatan sklus ideal diesel karena kurva yang
dihasilkan mendekati kurva siklus ideal diesel.
Untuk lebih mendekati keadaan sebenarnya, digunakan pendekatan siklus gabungan atau
siklus tekanan terbatas, yaitu siklus motor bakar yang pemasukannya terjadi pertama pada
volume konstan kemudian dilanjutkan pada tekanan konstan (Gambar 7 berikut). Meskipun
demikian, dalam kenyataannya tetap tidak pernah terdapat siklus kerja motor bakar torak
yang menghasilkan grafik sperti siklus tekanan terbatas.

9. Gambar 7. Diagram P-V pada siklus tekanan terbatas
Gambar 7. Diagram P-V pada siklus tekanan terbatas
Terdapat beberapa variabel yang menyebabkan siklus kerja motor bakar torak pada
keadaan sebenarnya berbeda dengan siklus ideal, antara lain:
1. Fluida kerja dalam silinder bukanlah udara, melainkan campuran udara dan bahan
bakar, yang memiliki sifat sedikit berbeda dengan udara. Selain itu campuran
tersebut bukan gas ideal, sehingga mekanisme yang terjadi sedikit berbeda dengan
gas ideal.
2. Terjadi kebocoran fluida, baik pada saat langkah kompresi, saat penyalaan maupun
pada saat langkah ekspansi. Hal tersebut disebabkan karena penyekatan antara
torak dengan dinding silinder tidak mungkin dilakukan secara sempurna.
3. Katup isap dan katup buang tidak dibuka dan ditutup persis pada saat TMA atau
TMB. Hal tersebut disebabkan proses pembukaan dan penutupan memerlukan
waktu, sehingga permulaan pembukaan katup adalah sebelum TMA atau TMB,
sedangkan saat katup telah tertutup rapat adalah sesat sesudah TMA atau TMB.
4. Pada motor bakar torak yang sesungguhnya, pada saat torak berada di TMA,
pemasukan kalor bukan berasal dari luar melainkan berasal dari proses pembakaran
campuran bahan bakar dan udara di dalam silinder itu sendiri. Kenaikan tekanan dan
suhu terjadi karena adanya pembakaran tersebut.
5. Proses pembakaran memerlukan waktu, tidak berlangsung sekaligus pada satu saat.
Akibatnya, selama proses pembakaran tersebut torak berubah-ubah posisinya.
Supaya proses pembakaran bahan bakar terjadi tepat waktu, proses pembakaran
dimulai sesaat (beberapa derajat putaran) sebelum torak mencapai TMA, serta
berakhir beberapa derajat setelah TMA.
6. Terdapat kehilangan kalor ke dinding yang kemudian diteruskan ke fluida pendingin.
Hal tersebut tidak dapat dihindarkan karena jika tidak didinginkan maka mesin akan
menjadi terlalu panas dan akan rusak secara cepat. Dengan adanya kehilangan kalor
tersebut berarti langkah kompresi, proses pemasukan panas maupun langkah
ekspansi tidak berlangsung secara adiabatik.

10. Adanya penyimpangan dari siklus ideal tersebut menyebabkan pada keadaan sebenarnya,
grafik P-V yang terbentuk tidak sesuai dengan grafik P-V ideal. Meskipun demikian grafik
siklus ideal tetap diperlukan untuk membantu memahami proses kerja motor bakar.