Mesin Diesel, Mesin Otto, dan Mesin Carnot

Prinsip Kerja Motor atau Mesin Diesel dan Cara Kerjanya

MESIN DIESEL

        

Prinsip kerja mesin diesel atau cara kerja motor diesel adalah sebagai berikut ini:

Langkah Hisap

   Langkah hisap yaitu torak bergerak dari titik mati atas (TMA) ke titik mati bawah (TMB). Udara (ingat yang diisap pada mesin diesel adalah UDARA saja) dihisap melalui katup atau saluran hisap. Sehingga katup hisap dalam kondisi membuka dan katup buang dalam kondisi tertutup. 

 

Langkah Kompresi

     Cara kerja mesin diesel pada langkah kompresi, ketika torak atau piston bergerak dari TMB menuju TMA, udara murni tersebut dipampatkan atau dikompresikan seiring dengan bergeraknya katup ke TMA. Posisi katup hisap dan katup buang tertutup. Dengan kompresi ini maka suhu udara dan tekanan udara meningkat atau naik drastis.

Langkah Usaha / Pembakaran

     Cara kerja mesin diesel pada langkah usaha, meneruskan langkah kompresi, kemudian beberapa derajat sebelum piston mencapai TMA, bahan bakar solar disemprotkan atau diinjeksikan oleh pengabut ke dalam ruang bakar sehingga bercampur dengan udara bertekanan tinggi dan suhu tinggi tadi, maka terjadilah pembakaran. Pada langkah usaha ini, piston mulai bergerak dari TMA menuju TMB akibat adanya dorongan hasil ledakan proses pembakaran. Pada saat terjadi pembakaran katup hisap dan katup buang keduanya menutup. Namun diakhir atau menjelang akhir langkah usaha, katup buang mulai membuka.

Langkah Buang

   Cara kerja mesin diesel pada langkah buang, ketika piston akan sampai atau menjelang sampai di TMB, katup buang mulai terbuka sehingga gas sisa hasil pembakaran terbuang dan kemudian piston bergerak lagi dari TMB ke TMB mendorong gas sisa pembakaran keluar sehingga bersih dari gas sisa pembakaran.

 Keuntungan dan Kerugian Mesin Diesel :

Kelebihan Motor Diesel dibandingkan dengan motor Bensin:

a)    Pemakaian bahan bakar lebih hemat, karena efisiensi panas lebih baik.

b)   Daya tahan lebih lama dan gangguan lebih sedikit, karena tidak menggunakan sistem pengapian.

c)    Operasi lebih mudah dan cocok untuk kendaraan besar, karena variasi momen yang terjadi pada perubahan tingkat kecepatan lebih kecil.

Di samping itu motor diesel memiliki kerugian, yaitu:

a.    Suara dan getaran yang timbul lebih besar (hampir 2 kali) daripada motor bensin. Hal ini disebabkan tekanan yang sangat tinggi (hampir 60 kg/cm2) pada saat pembakaran.

b.    Bobot per satuan daya dan biaya produksi lebih besar, karena bahan dan konstruksi lebih rumit untuk rasio kompresi yang tinggi.

c.    Pembuatan pompa injeksi lebih teliti sehingga perawatan lebih sulit.

d.    Memerlukan kapasitas baterai dan motor starter yang besar agar dapat memutar poros engkol dengan kompresi yang tinggi.

Prinsip Kerja Mesin Otto

            Mesin Otto pada dasarnya serupa dengan mesin diesel hanya dalam mesin otto Pada ruang bakarnya dilengkapi dengan busi yang menghasilkan lecutan listrik/api yang berfungsi sebagai pembakar mula campuran bahan bakar yang telah mencapai takanan yang pas untuk mengalami pembakar. Sebuah mesin otto dilengkapi dengan sebuah karburator. Karburator ini berfungsi untuk mengatur percampuran antar bahan bakar dengan udara kemudian menyemprotkan hasil campuran tersebut kedalam ruang bakar.Pada siklus mesin Otto berlangsung 2 proses adiabatik dan 2 proses isokhorik. Proses siklus tersebut digambarkan pada diagram berikut.

                                   

Cara Kerja Mesin Otto terjadi dalam empat langkah yakni :

1.     Intake Stroke. Pada langkah ini piston bergerak kebawah  silinder dan tekanan akan turun (tekanan negatif). Katup masuk (Intake Valve) terbuka. Karena tekanannya yang rendah campuran udara dan bahan bakar terhisap kedalam silinder.

2.     Compression Stroke. Pada titik mati bawah (TMB), silinder berada pada volume maksimum dan katup masuk (intake valve) tertutup. Sekarang piston bergerak kearah atas, menuju titik mati atas (TMA) dan mengkompresi campuran udara dan bahan bakar. Tekanan meningkat dan volume berkurang. Kerja yang diperlukan untuk mengkompresi meningkatkan energi dalam campuran – dan temperaturnya meningkat. Karena cepatnya pengkompresian, maka hanya sebagian kecil energi yang  ditransfer ke lingkungan.             

3.     Power Stroke. Gaya yang dihasilkan menghantarkan piston kebawah menuju crank shaft (katup-katup tertutup). Volume meningkat dan tekanan menurun. Tidak ada lagi energi yang ditambahkan dan karena peristiwa ini, energi dalam dari gas meningkat seiring dengan meningkatnya temperatur.

4.     Exhaust StrokeGb : 9 Exhaust Stroke. Pada BDC (titik mati bawah), katup pembuangan gas (exhaust valve) terbuka dan piston bergerak keatas silinder. Tekanan jatuh mendekati tekanan luar dari silinder karena katup pembuangan gas terbuka. Gas buang meninggalkan silinder. Volume berkurang.

Prinsip Kerja Mesin Carnot

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850-an dan 1860-an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.

Pada diagram di samping, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot berjudul Pemikiran tentang Daya Penggerak dari Api (Réflexions sur la Puissance Motrice du Feu), diilustrasikan ada dua benda A dan B, yang temperaturnya dijaga selalu tetap, dimana A memiliki temperatur lebih tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau melepaskan kalor pada atau dari kedua benda ini tanpa mengubah suhunya, dan bertindak sebagai dua reservoir kalor. Carnot menyebut benda A "tungku" dan benda B "kulkas". Carnot lalu menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak (usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir A ke B.

Mesin Carnot merupakan mesin kalor yang dapat mengubah energi (kalor) menjadi bentuk lainnya (usaha mekanik). Pada prinsipnya cara kerja mesin kalor ada tiga proses penting yaitu:

1. Proses penyerapan kalor dari sumber panas yang sering disebut sebagai reservoir (tandon) panas.

2.  Usaha yang dilakukan oleh mesin.

3.  Proses pembuangan kalor pada tempat yang bersuhu rendah, tempat ini sering disebut reservoir (tandon) dingin.

Hukum termodinamika kedua meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank (adalah tidak mungkin untuk sebuah alat/mesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi sejumlah kerja bersih) dan Clausius (adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi). Sebuah mesin kalor tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar

Dari pernyataan diatas kita dapat mengambil kesimpulan yang berhubungan dengan efisiensi termal dari proses reversibel dan irreversible :

1. Efisiensi sebuah mesin kalor irreversibel selalu lebih kecil dari mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama.

2. Efisiensi  semua  mesin kalor reversibel  yang beroperasi antara dua reservoir yang sama adalah sama.

Teorema Karnot

Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan oleh efisiensi mesin Carnot

Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan). Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur. Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair ( lihat siklus Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan (misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.

Mesin Carnot dapat dianggap memiliki piston yang bergerak dalam silinder, dan memiliki karakteristik sebagai berikut:

1. Sebuah rekatan yang sempurna, sehingga tidak ada atom yang melarikan diri dari cairan yang bekerja karena piston bergerak untuk memperluas atau menekannya.

2. Pelumasan sempurna, sehingga tidak ada gesekan.

3. Sebuah gas ideal untuk fluida kerja.

4. Koneksi sempurna termal pada setiap waktu, baik untuk satu atau tidak ada dua reservoir, yang berada pada dua temperature yang berbeda, dengan isolasi termal sempurna mengisolasi dari semua transfer panas lainnya.

5. Piston bergerak bolak-balik berulang kali, dalam siklus bolak balik ekspansi “isotermal” dan adiabatic” dan penekanan.

SIKLUS CARNOT

Sadi Carnot, seorang insinyur berkebangsaan Prancis pada tahun 1824 mengembangkan sebuah model mesin ideal – selanjutnya disebut mesin Carnot, yaitu mesin yang paling efisien. Siklus ini terdiri dari empat proses yaitu:

1.     Proses A-B adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Dalam proses ini gas   

menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha sebesar WAB.

2.  Proses B-C adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini suhu gas turun

menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC.

3.  Proses C-D adalah pemampatan isotermal pada suhu T2. Pada proses ini gas membuang kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2 dan menerima usaha sebesar WCD.

4.  Proses D-A yaitu pemampatan adiabatik. Suhu gas naik kembali ke suhu T1 sambil menerima usaha sebesar WDA.

Usaha total yang dilakukan sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah yang diraster , yang ekuivalen dengan selisih antara kalor yang diserap sistem (Q1) dari reservoir suhu tinggi T1 dengan kalor yang dibuang sistem (Q2) pada reservoir suhu rendah T2. Karena suhu sistem selama melakukan satu siklus tidak berubah (dari suhu T1 berubah menjadi T2 dan kembali lagi bersuhu T1), maka tidak ada perubahan energi dalam sistem (𝛥U = 0) yang menunjukkan berlakunya hukum I termodinamika :

𝛥U = 𝛥Q – W   à   𝛥U = 0   à W =𝛥 Q = Q1 – Q2

Dengan demikian, pada mesin Carnot telah terjadi perubahan energi kalor menjadi usaha. Mesin yang mengubah energi kalor menjadi usaha disebut mesin kalor. Efisiensi mesin kalor dinyatakan sebagai perbandingan antara usaha yang dilakukan mesin dengan kalor yang diserap. Secara matematis dituliskan:

karena W = Q1 – Q2 maka efisiensi dapat ditulis dalam bentuk lain :

Untuk siklus Carnot berlaku   =  , sehingga untuk mesin ideal berlaku efisiensi teoritis :

dimana:

ɳ        : efisiensi mesin ( % )

T2     : suhu reservoir dingin ( K )

T1     : suhu reservoir panas ( K )

Q2     : kalor yang dibuang mesin pada reservoir dingin (J)

Q1     : kalor yang diserap mesin dari reservoir panas (J)

W      : usaha/kerja yang dihasilkan mesin ( J )

Pada kenyataannya efisiensi real selalu lebih kecil daripada efisiensi Carnot. Efisiensi mesin bensin : 20 – 25%, mesin diesel : 26 – 38%, turbin uap pembangkit nuklir : ±35%, turbin uap pembangkit batubara : ±40%.