TERMODINAMIKA Siklus Otto Dan Diesel

TERMODINAMIKA

“SIKLUS OTTO DAN DIESEL”

Disusun oleh : Kelompok 5

Anggota : M. Alfredo Andika

: M. Arga Prasetyo

: Sandi Saputra

: Sepri Ardiansah

Kelas : 2MB

Dosen Pembimbing : Ella Sundari, S.T.

TEKNIK MESINPOLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA

2012/2013

1

Kata Pengantar

Puji syukur kami ucapkan kehadirat Allah SWT. Karena atas limpahan rahmat,

hidayah, serta karunia-Nya. penulis diberi kekuatan untuk bisa menyelesaikan makalah yang

berjudul “Siklus Otto dan Diesel” sebagai tugas pengganti mid II mata kuliah termodinamika

semester dua tahun 2013 tepat pada waktunya. Kami ucapkan terima kasih kepada kepada

pihak-pihak lain yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan karya ilmiah ini. Kami

menyadari karya kami ini jauh dari kata sempurna. Maka, kami meminta maaf atas hal

tersebut dan mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak . Semoga

karya tulis ini bermanfaat bagi semua pihak, khususnya penulis sebagai pedoman materi

sesuai judul yang kami angkat.

Palembang, Juni 2013

Penulis,

2

DAFTAR ISI

Kata Pengantar....................................................................................................................... 2DAFTAR ISI.......................................................................................................................... 3

SEJARAH MESIM OTTO DAN MESIN DIESEL.......................................................... 4a. Sejarah Mesin Otto................................................................................................ 4b. Sejarah Mesin Diesel............................................................................................ 5

DEFINISI MESIN OTTO DAN MESIN DIESEL........................................................... 7a. Definisi Mesin Otto................................................................................................ 7b. Definisi Mesin Diesel............................................................................................ 7

KLASIFIKASI.................................................................................................................. 10a. Mesin Otto............................................................................................................. 10b. Mesin Diesel......................................................................................................... 12

SIKLUS OTTO DAN DIESEL...................................................................................... 13a. Siklus Otto............................................................................................................. 13b. Siklus Diesel......................................................................................................... 20

PERBEDAAN SIKLUS OTTO DAN SIKLUS DIESEL PADA MESIN 2 TAK........... 22a. Cara Pemberiaan dan Penyalaan Bahan Bakar...................................................... 22b. Perbandingan Kompresi Mesin Bensin dan Diesel............................................... 23c. Desain Komponen Mesin Diesel dan Bensin........................................................ 23d. Perbedaan ICE 2tak dan ICE 4tak......................................................................... 23

3

A. SEJARAH MESIN OTTO (BENSIN) DAN MESIN DIESEL

a. Sejarah Mesin Otto (Mesin Bensin)

Nikolaus August Otto (14 Juni 1832 – 28 Januari 1891) ialah penemu mesin

pembakaran dalam asal Jerman. Sebagai lelaki muda ia mulai percobaan dengan

mesin gas dan pada 1864 ikut serta dengan 2 kawan untuk membentuk

perusahaannya sendiri. Perusahaan itu dinamai N. A. Otto & Cie., yang merupakan

perusahaan pertama yang menghasilkan mesin pembakaran dalam. Perusahaan ini

masih ada sampai kini dengan nama Deutz AG.

Mesin atmosfer pertamanya selesai pada Mei 1867. 5 tahun kemudian ia

disusul oleh Gottlieb Daimler dan Wilhelm Maybach dan bersama mereka ciptakan

gagasan putaran empat tak atau putaran Otto.

Pertama kali dibuat pada 1876, tak itu merupakan gerakan naik atau turun

pada piston silinder. Paten Otto dibuat tak berlaku pada 1886 saat ditemukan

bahwa penemu lain, Alphonse Beau de Rochas, telah membuat asas putaran 4 tak

dalam selebaran yang diterbitkan sendirian. Menurut studi sejarah terkini, penemu

Italia Eugenio Barsanti dan Felice Matteucci mempatenkan versi efisien karya

pertama dari mesin pembakaran dalam pada 1854 di London (nomor paten 1072).

Mesin Otto dalam banyak hal paling tidak diilhami dari penemuan itu.

Mesin bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin

pembakaran dalam yang sering digunakan dalam mobil, pesawat, atau alat lainnya

seperti mesin pemotong rumput atau motor, dan motor outboard untuk kapal.

Tipe paling umum dari mesin ini adalah mesin pembakaran dalam putaran

empat stroke yang membakar bensin. Pembakaran dimulai oleh sistem ignisi yang

membakaran spark voltase tinggi melalui busi. Tipe mesin putaran dua stroke

sering digunakan untuk aplikasi yang lebih kecil, ringan dan murah, tetapi efisiensi

bahan bakarnya tidak baik.

Mesin wankel dapat juga menggunakan bensin sebagai bahan bakarnya.

Satu komponen dalam mesin lama adalah karburator, yang mencampur bensin

dengan udara. Di mesin yang lebih baru karburator diganti dengan injeksi bahan

bakar.

Di Indonesia produksi mobil meningkat dengan sangat pesat. Wakil

Presiden PT Astra Daihatsu Motor (ADM) mengatakan bahwa kapasitas produksi

pabrik Daihatsu sudah mencapai titik maksimum sejak April, 25.600 unit per

4

bulan. ADM kini telah menjelma menjadi produsen mobil nomor satu di Indonesia.

Selain untuk merek sendiri, seperti Terios, Xenia, Luxio, dan Gran Max, ADM

juga memproduksi dua model Toyota, yakni Avanza dan Rush. Avanza dan Xenia

adalah mobil terlaris di Indonesia saat ini.

Sementara itu, PT Honda Prospect Motor (HPM), yang juga memiliki

perakitan di Indonesia, mengaku kapasitas produksinya sudah mencapai 100 persen

atau 50.000 unit per tahun. Sebelumnya menargetkan produksi 46.000 unit.

Tahun ini total produksi bisa mencapai maksimum 50.000 unit. Meski

begitu, kita tak ingin membicarakan investasi tambahan karena banyak

konsekuensinya," ujar Jonfis Fandy, Direktur Pemasaran dan Layanan Purnajual

HPM.Jonfis menilai pertumbuhan pasar pada Januari-April 2010 bisa terus

berlangsung hingga akhir tahun jika stabilitas perekonomian terjaga. Menurut dia,

tak mustahil pasar mobil nasional menciptakan rekor baru, 700.000 unit.

HPM memiliki fasilitas perakitan di Karawang, Jawa Barat, yang

memproduksi Jazz, Freed, dan CR-V. Selain untuk pasar domestik, HPM juga

mengekspor Freed ke Thailand dan Malaysia.

b. Sejarah Mesin Diesel

Rudolf Diesel (18 Maret 1858 - 30 September 1913) adalah seorang

penemu Jerman, terkenal akan penemuannya, mesin diesel, Dia lahir di Paris dan

meninggal secara misterius di kapal fery dalam perjalanannya ke Inggris. Diesel

mengembangkan ide sebuah mesin pemicu kompresi pada dekade terakhir abad ke-

19 dan menerima hak paten untuk alat tersebut pada 23 Februari 1893. Dia

membangun prototipe yang berfungsi pada awal 1897 ketika bekerja di pabrik

MAN di Augsburg.

Padahal jaman itu (akhir abad 19 dan awal abad 20) belum ada orang yang

berfikir tentang krisis energi minyak, apalagi global warming. Sedemikian

hebatnya itu mesin, membuat pesaing-pesaingnya di dunia otomotif gigit jari.

Hingga di bulan September 1913, Diesel hilang secara misterius dari kabin

kamarnya di kapal SS Dresden saat bepergian dari Jerman ke Inggris. Baru lima

hari kemudian mayatnya ditemukan terapung di Sungai Scheldt (Jerman). Tak

seorang pun bisa menyibak misteri di balik kematian Diesel tersebut.

5

Beberapa tahun kemudian, tepatnya tahun 1937 di Jepang, berdirilah sebuah

pabrik mesin bernama Tokyo Jidosha Kogyo Company yang sekarang berganti

nama menjadi Isuzu, yang line produknya adalah Mesin Diesel. Konon salah

seorang murid/asisten Diesel berhasil mengcopy seluruh desain rancang bangun

mesin tersebut dan mengembangkannya di Jepang atas perintah Kaisar Tenno

Haika Hirohito untuk menjalankan mesin perangnya di Asia Pasifik.

Selama Perang Dunia II, Jepang membumi hanguskan semua sumur minyak

milik kolonial Belanda, Inggris dan Perancis di Asia Tenggara. Namun, di sisi lain,

Jepang juga memerintahkan anak jajahannya untuk menanam jarak pagar, yang

bijinya diperas untuk dijadikan biodiesel yang menggerakkan tank dan kapal

perang mereka.

Para tentara Jepang dengan mesin perang yang bermesin diesel hampir tak

terkalahkan oleh Amerika Serikat. Hanya 4 buah bom atom di Hiroshima dan

Nagasakilah yang mampu menghentikan laju gerak pasukan bersepatu karet

tersebut melibas Asia-Pasifik. Sementara Jendral Douglas MacArthur tergopoh-

gopoh balik menyerang dengan risiko kekurangan suplai minyak bensin di

sepanjang jalur penyerangannya di Pasifik Selatan, yang bisa dikatakan

mendahulukan merebut sumur-sumur minyak di Papua, Sulawesi dan Kalimantan.

Makanya tidak perlu heran kenapa mesin diesel masih berbahan bakar solar,

bukan minyak jarak atau minyak kelapa sawit. Semua dikareakan para pelaku

industri minyak tidak mau rugi dan digulung oleh petani kacang, kelapa sawit dan

jarak pagar.

Pada saat menerima hak paten atas mesin ciptaannya di Pekan Raya Paris

1912, Rudolf Diesel menyampaikan pidato yang sangat-sangat berarti di era Global

Warming saat ini: “Der Gebrauch von Pflanzenöl als Krafstoff mag heute

unbedeuntend sein. Aber derartige Produkte können im Laufe der Zeit obenso

wichtig werden wie Petroleum und diese Kohle-Teer-Produkte von heute.”

(Pemakaian minyak nabati sebagai bahan bakar untuk saat ini sepertinya tidak

berarti, tetapi pada saatnya nanti akan menjadi penting, sebagaimana minyak bumi

dan produk tir-batubara saat sekarang).

6

B. Definisi Mesin Otto dan Mesin Diesel

a. Definisi Mesin Otto

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi,

sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi

gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi). Mesin

bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran

dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk

menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis.

Mesin bensin berbeda dengan mesin diesel dalam metode pencampuran

bahan bakar dengan udara, dan mesin bensin selalu menggunakan penyalaan busi

untuk proses pembakaran. Pada mesin diesel, hanya udara yang dikompresikan

dalam ruang bakar dan dengan sendirinya udara tersebut terpanaskan, bahan bakar

disuntikan ke dalam ruang bakar di akhir langkah kompresi untuk bercampur

dengan udara yang sangat panas, pada saat kombinasi antara jumlah udara, jumlah

bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi tepat maka campuran udara dan bakar

tersebut akan terbakar dengan sendirinya.

Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur

sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern

mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk

mesin bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan.

Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi,

keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan

penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto

terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar

seproporsional mungkin, Hal ini dsebut EFI.

b. Definisi Mesin Diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi,

sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakar dinyalakan oleh suhu tinggi

gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi). Mesin

bensin atau mesin Otto dari Nikolaus Otto adalah sebuah tipe mesin pembakaran

dalam yang menggunakan nyala busi untuk proses pembakaran, dirancang untuk

7

menggunakan bahan bakar bensin atau yang sejenis. Mesin bensin berbeda dengan

mesin diesel dalam metode pencampuran bahan bakar dengan udara, dan mesin

bensin selalu menggunakan penyalaan busi untuk proses pembakaran. Pada mesin

diesel, hanya udara yang dikompresikan dalam ruang bakar dan dengan sendirinya

udara tersebut terpanaskan, bahan bakar disuntikan ke dalam ruang bakar di akhir

langkah kompresi untuk bercampur dengan udara yang sangat panas, pada saat

kombinasi antara jumlah udara, jumlah bahan bakar, dan temperatur dalam kondisi

tepat maka campuran udara dan bakar tersebut akan terbakar dengan sendirinya.

Pada mesin bensin, pada umumnya udara dan bahan bakar dicampur

sebelum masuk ke ruang bakar, sebagian kecil mesin bensin modern

mengaplikasikan injeksi bahan bakar langsung ke silinder ruang bakar termasuk

mesin bensin 2 tak untuk mendapatkan emisi gas buang yang ramah lingkungan.

Pencampuran udara dan bahan bakar dilakukan oleh karburator atau sistem injeksi,

keduanya mengalami perkembangan dari sistem manual sampai dengan

penambahan sensor-sensor elektronik. Sistem Injeksi Bahan bakar di motor otto

terjadi diluar silinder, tujuannya untuk mencampur udara dengan bahan bakar

seproporsional mungkin. Hal ini dsebut EFI.

Bagaimana mesin diesel bekerja

Diagram siklus termodinamika sebuah mesin diesel ideal. Urutan kerja

mesin diesel berurutan dari nomor 1-4 searah jarum jam. Dalam siklus mesin

diesel, pembakaran terjadi dalam tekanan tetap dan pembuangan terjadi dalam

volume tetap. Tenaga yang dihasilkan setiap siklus ini adalah area di dalam

garis siklus.

Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan

oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses

pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi

oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin

bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau

BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang

bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara

panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar

dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat

piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi.

8

Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston

dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan

bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar

utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect

injection).

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran

mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan

tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini

ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga

putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai

keperluan.

Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan

komponen :

Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara

yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar

didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.

Intercooler untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar.

Udara yang panas volumenya akan mengembang begitu juga

sebaliknya, maka dengan didinginkan bertujuan supaya udara yang

menempati ruang bakar bisa lebih banyak.

Mesin diesel sulit untuk hidup pada saat mesin dalam kondisi dingin.

Beberapa mesin menggunakan pemanas elektronik kecil yang disebut busi

menyala (spark/glow plug) di dalam silinder untuk memanaskan ruang bakar

sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas "resistive grid"

dalam "intake manifold" untuk menghangatkan udara masuk sampai mesin

mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar

dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin. Dalam cuaca yang sangat

dingin, bahan bakar diesel mengental dan meningkatkan viscositas dan

membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat memengaruhi sistem bahan bakar

dari tanki sampai nozzle, membuat penyalaan mesin dalam cuaca dingin

menjadi sulit. Cara umum yang dipakai adalah untuk memanaskan penyaring

bahan bakar dan jalur bahan bakar secara elektronik.

9

Untuk aplikasi generator listrik, komponen penting dari mesin diesel

adalah governor, yang mengontrol suplai bahan bakar agar putaran mesin

selalu pada putaran yang diinginkan. Apabila putaran mesin turun terlalu

banyak kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun sehingga peralatan

listrik tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya, sedangkan apabila putaran

mesin terlalu tinggi maka dapat mengakibatkan over voltage yang bisa

merusak peralatan listrik. Mesin diesel modern menggunakan pengontrolan

elektronik canggih untuk mencapai tujuan ini melalui modul kontrol elektronik

(ECM) atau unit kontrol elektronik (ECU) - yang merupakan "komputer"

dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin melalui sensor dan

menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam

ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator

elektronik atau hidraulik untuk mengatur kecepatan mesin.

C. Klasifikasi Mesin

a. Mesin Otto

Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan

dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol

Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Mesin bensin dibagi

menjadi dua, yaitu mesin dua tak dan mesin empat tak.

Mesin dua tak adalah mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik

turun untuk sekali pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak

10

digunakan pada motor-motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa

pembakaran dari oli pelumas.

Mesin empat tak memerlukan empat kali gerakan piston untuk sekali

pembakaran. Pada motor-motor besar biasa menggunakan mesin empat tak. Akan

tetapi, sekarang banyak motor-motor kecil bermesin empat tak. Mesin jenis ini

sedikit menghasilkan sisa pembakaran karena bahan bakarnya hanya bensin murni.

Gambar di atas merupakan mesin pembakaran dalam empat langkah (empat

tak). Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju

silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya

campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika

piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau penekanan). Karena ditekan secara

adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi

memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika

terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan

bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke

bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup

pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan).

Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut diulangi kembali.

Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah

menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran

pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang

sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses

pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga.

Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika busi

11

memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu

tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi

kurang bertenaga.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin

pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi

proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara

berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik

batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan

(knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah

menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah

menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat adanya gesekan.

Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika

yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses

adiabatis (kalor tetap).

b. Mesin Diesel

Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi

kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya

menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari

seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk

mengenang ilmuan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.

Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum

ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine

adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan

yang mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap

memasuki turbin pada temperatur 565 °C (batas ketahanan stainless steel) dan

kondenser bertemperatur sekitar 30°C. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara

teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik

sebesar 42%.

12

Gambar Mesin Diesel (Siklus Rankine)

Gambar ini menunjukkan siklus diesel ideal (sempurna). Mula-mula udara

ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik

(injector) menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar

mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada volume konstan – gas yang

terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (d-

a).

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.

D. Siklus Otto dan Diesel

a. Siklus Otto

Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan

dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol

Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Niklaus August Otto (1832-

1891) adalah seorang penemu berkebangsaan Jerman yang pada tahun 1876

menciptakan mesin dengan empat dorongan pembakaran.

13

Siklus Otto adalah siklus ideal untuk mesin torak dengan pengapian-nyala

bunga api. Pada mesin pembakaran dengan sistem pengapian-nyala ini, campuran

bahan bakar dan udara dibakar dengan menggunakan percikan bunga api dari busi.

Piston bergerak dalam empat langkah (disebut juga mesin dua siklus) dalam

silinder, sedangkan poros engkol berputar dua kali untuk setiap siklus

termodinamika. Mesin seperti ini disebut mesin pembakaran internal empat

langkah.

1. Campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik

ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi / compression stroke).

2. Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran

meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran

udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin

bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap

piston dan mendorong piston ke bawah (power stroke).

3. Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan

dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan / exhaust stroke).

4. Katup masukan terbuka lagi, campuran udara dan uap bensin mengalir

dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah

masukan / intake stroke). Selanjutnya ke-empat langkah diulang kembali.

Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 proses thermodinamika yang

terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis

(kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs temperatur

(V) berikut:

14

Keterangan:

Langkah 0-1 adalah langkah isap. Campuran udara dan uap bensin

masuk ke dalam silinder.

Langkah 1-2 adalah langkah pemampatan. campuran udara dan uap

bensin ditekan secara adiabatik

Garis 2-3 adalah pembakaran secara cepat yang menghasilkan

pemanasan gas pada volume konstan. Campuran udara dan uap

bensin dipanaskan pada volume konstan campuran dibakar.

Langkah 3-4 adalah langkah ekspansi gas panas. Gas yang terbakar

mengalami pemuaian adiabatik

Sedang segmen 4-1 turunnya tekanan secara tiba-tiba karena

dibukanya katup buang. Pendinginan pada volume konstan – gas

yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara +

uap bensin yang baru, masuk ke silinder.

Setelah itu gas dibuang pada langkah 1-0

Maksud 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.

15

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.

Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias

penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap

bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan

tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang

dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil

menjadi lebih bertenaga. Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin

bisa terbakar ketika si busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas

yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil.

Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga.

Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa

digambarkan melalui diagram di bawah. (Diagram ini menunjukkan model ideal

dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang

menggunakan bensin).

MESIN 2 TAK

Pada prinsipnya motor bakar 2 langkah (2 tak) melakukan siklus Otto

hanya dalam dua langkah piston atau satu putaran poros engkol. Penemuan

motor bakar 2 tak sukses oleh Sir Dougald Clerk tahun 1876. Ada 2 langkah

saat mesin 2 tak beroperasi.

16

Langkah pertama:

Piston bergerak dari TMA (Titik Mati Atas) ke TMB (Titik Mati

Bawah).

Pada saat piston bergerak dari TMA ke TMB, maka akan menekan

ruang bilas yang berada di bawah piston. Semakin jauh piston

meninggalkan TMA menuju TMB, tekanan di ruang bilas semakin

meningkat.

Pada titik tertentu, piston (ring piston) akan melewati lubang

pembuangan gas dan lubang pemasukan gas.

Pada saat ring piston melewati lubang pembuangan, gas di dalam

ruang bakar keluar melalui lubang pembuangan.

Pada saat ring piston melewati lubang pemasukan, gas yang tertekan

dalam ruang bilas akan terpompa masuk dalam ruang bakar

sekaligus mendiring gas yang ada dalam ruang bakar keluar melalui

lubang pembuangan.

Piston terus menekan ruang bilas sampai titik TMB, sekaligus

memompa gas dalam ruang bilas masuk ke dalam ruang bakar.

Langkah kedua:

Piston bergerak dari TMB ke TMA.

Pada saat piston bergerak dari TMB ke TMA, maka akan menghisap

gas hasil pencampuran udara, bahan bakar dan pelumas masuk ke

dalam ruang bilas. Percampuran ini dilakukan oleh karburator

sistem injeksi.

Saat melewati lubang pemasukan dan lubang pembuangan, piston

akan mengkompresi gas yang terjebak dalam ruang bakar.

Piston akan terus mengkompresi gas dalam ruang bakar sampai

TMA.

Beberapa saat sebelum piston sampai di TMA, busi menyala untuk

membakar gas dalam ruang bakar. Waktu nyala busi sebelum piston

sampai TMA dengan tujuan agar puncak tekanan dalam ruang bakar

akibat pembakaran terjadi saat piston mulai bergerak dari TMA ke

TMB karena proses pembakaran sendiri memerlukan waktu dari

mulai nyala busi sampai gas terbakar dengan sempurna.

17

MESIN 4 TAK

Mesin 4 tak adalah mesin pembakaran dalam yang dalam satu siklus

pembakaran terjadi empat langkah piston (hisap, tekan, bakar, buang).

Langkah pertama:

Piston bergerak dari TMA ke TMB, posisi katup masuk terbuka

dan katup keluar tertutup, mengakibatkan gas atau udara

terhisap masuk ke dalam ruang bakar.

Langkah kedua:

Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk dan

keluar tertutup, mengakibatkan udara atau gas dalam

ruang bakar terkompresi. Beberapa saat sebelum piston sampai

pada posisi TMA, waktu penyalaan bunga api terjadi, pada

mesin bensin berupa nyala busi.

Langkah ketiga:

Gas yang terbakar dalam ruang bakar akan meningkatkan

tekanan dalam ruang bakar, mengakiBatkan piston terdorong

dari TMA ke TMB. Langkah ini adalah proses langkah

pembakaran.

Langkah keempat:

Piston bergerak dari TMB ke TMA, posisi katup masuk tertutup

dan katup keluar terbuka, mengakibatkan gas hasil

pembakaran terdorong keluar menuju saluran pembuangan.

Atau yang disebut proses buang.

Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan

dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol

Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.

Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 buah proses thermodinamika

yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses

adiabatis (kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs

temperatur (V) berikut:

18

Proses yang terjadi adalah :

1-2 : Kompresi adiabatis

2-3 : Pembakaran isokhorik

3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis

4-1 : Langkah buang isokhorik

Beberapa rumus yang digunakan untuk menganalisa sebuah siklus Otto

adalah sebagai berikut :

1. Proses Kompresi Adiabatis

T2/T1 = r(k-1) ;  p2/p1 = rk

2. Proses Pembakaran Isokhorik

T3 = T2 + (f x Q / Cv) ;   p3 =

p2 ( T3 / T2)

3. Proses Ekspansi / Langkah

Kerja

T4/T3 = r (1-k) ;   p4/p3 = r(-k)

4. Kerja Siklus

W = Cv [(T3 - T2) - (T4 - T1)] 

5. Tekanan Efektif Rata-rata

(Mean Effective Pressure)

pme = W / (V1 – V2)

6. Daya Indikasi Motor

Pe = pme . n . i . (V1-V2) . z

19

Dimana parameter – parameternya adalah :

p = Tekanan gas (Kg/m^3)

T = Temperatur gas (K; Kelvin)

V = Volume gas (m^3)

r = Rasio kompresi (V1 – V2)

Cv = Panas jenis gas pada volume tetap ( kj/kg K) 

k = Rasio panas jenis gas (Cp/Cv)

f = Rasio bahan bakar / udara

Q = Nilai panas bahan bakar (kj/kg)

W = Kerja (Joule)

n = Putaran mesin per detik (rps)

i = Index pengali;  i=1 untuk 2 tak dan i=0.5 untuk 4 tak

z = Jumlah silinder

P = Daya ( Watt )

b. Siklus Diesel

Ditemukan pada tahun 1890 oleh seorang berkebangsaan Jerman yaitu

Rudolph Diesel. Sama halnya dengan siklus otto, siklus diesel merupakan siklus

bolak-balik (reciprocating), namun pada siklus ini terdapat pengapian kompresi

yang berbeda dengan siklus otto (menggunakan spark plug). Pada siklus diesel ini

spark plug dan karburator digantikan oleh injektor bahan bakar.

20

Siklus diesel dapat dirancang dengan rasio kompresi yang tinggi (pada

umumnya 12-24). Diagram perbandingan T-S dan P-V dapat dilihat pada gambar:

Berbeda pada siklus otto, siklus diesel terdapat rasio pancung (cutoff ratio)

yang terjadi pada proses pembakaran seperti yang terlihat pada diagram diatas

proses 2-3. Untuk proses pada siklus diesel 4 langkah dapat dilihat pada gambar:

Pada gambar pertama (kiri ke kanan) merupakan langkah kompresi setelah

udara masuk ke dalam ruang bakar. Udara ini dikompresi hingga mempunyai

tekanan yang sangat tinggi sekali. Pada gambar kedua merupakan proses injeksi

bahan bakar. Akibat tekanan udara yang sangat tinggi sekali dan injeksi dari bahan

bakar tersebut menyebabkan terjadinya pembakaran. Pada gambar ketiga

merupakan langkah tenaga dimana akibat ledakan dari pembakaran tadi piston

didorong ke bawah dan menyebabkan terjadinya daya/power. Pada gambar

keempat merupakan langkah buang, dimana sisa dari pembakaran dibuang ke

lingkungan.

21

Untuk kompresi rasio yang sama siklus diesel mempunyai efisiensi yang

lebih tinggi dibandingkan dengan siklus otto. Adapun rumus untuk mencari

efisiensi siklus diesel adalah:

Efisiensi siklus diesel yang tinggi menyebabkan siklus ini digunakan untuk

mesin-mesin dengan kapasitas besar. Seperti yang terdapat pada truk, lokomotif,

mesin kapal, dan pembangkit tenaga listrik darurat (genset).

E. Perbedaan siklus otto dan siklus diesel 2 tak

Mesin yang ditemukan oleh Rudolf Diesel (8158-1913) konsturksinya

tidak berbeda jauh dengan mesin bensin yang dikenal dengan sebutan mesin

otto.beberapa bagian komponennya punya tugas yang sama dengan mesin

bensin,seperti blok slinder, poros engkol, poros bubungan, asembli torak, dan

mekanisme pengerak katupnya.perbedaan motor diesel dan motor bensin adalah

cara pemberian dan penyalaan bahan bakarnya; perbandingan kompressi; disain

komponen.

1. Cara pemberian dan penyalaan Bahan bakar

Perbedaan utama terletak pada bagaimana memulai sesuatu

pembakaran dalam ruang silinder.mesin besin mengawali pembkaran

dengan disuplainya listrik tegangan tinggi, sehingga menimbulkan

percikan bunga api di antara celah busi untuk memulai pembakaran

gas.motor diesel memanfaatkan udara yang dikompresi untuk memulai

pembakaran bahan bakar solar.Dengan perbandingan kompresinya

sangat tinggi sampai berkisar 22 : 1, akibatnya tekanan naik secara

mendadak (berlangsung dalam beberapa milidetik) suhunya dapat

mencapai 900-1000 derajat celcius. Suhu setinggi itu dapat menyalakan

bahan bakar solar. Menjelang akhir langkah kompresi, solar

disemprotkan ke udara Yang sangat panas itu. Akibatnya, bahan bakar

langsung terbakar sebab titik nyala solar sendiri Cuma 4000 Celcius.

22

Karena pembakaran terjadi akibat tekanan kompresi yang sangat tinggi

tadi,maka mesi diesel di sebut juga mesin penyalaan kompresi

(compression igniton engine). Sedangkan mesin bensin di kenal dengan

mesin penyalaan bunga api (spark ignition engine). Dalam mesin

bensin bahan bakar dan udara dicampur di luar slinder yaitu dalam

karburator dan saluran masuk (manifold). Sebaliknya mesin diesel

tidak ada campuran pendahuluan udara dan bahan bakar di luar

silinder, hanya udara yang diterima ke dalam slinder melalui saluran

masuk.

2. Perbandingan Kompresi mesin diesel dan Bensin

Perbandingan kompresi adalah perbandingan volume udara

dalam silinder sebelum langkah kompresi dengan volume sesudah

langkah kompresi. Perbandingan kompresi untuk motor-motor bensin

adalah berkisar 8:1 sedangkan perbandingan yang umum untuk motor-

motor diesel adalah 16-22:1. Perbandingan kompresi yang timggi pada

motor diesel menimbulakan kenaikan suhu udara cukup tinggi untuk

menyalakan bahan bakar tanpa ada letikan bunag api. Hal ini

menyebabkan motor diesel mempunyai efisiensi yang besar sebab

kompresi yang tinggi menghasilkan pemuaian yang besar dari gas-gas

hasil pembakaran dalam silinder. Karena itu tenaganya sangat kuat.

Efisiensi tinggi yang dihasilkan pembakaran motor diesel harus

diimbangi dengan kekuatan komponen-komponennya agar dapat

menahan gaya-gaya pembakaran yang sangat besar.

3. Desain Komponen Mesin Diesel dan Bensin

Sudah dikatakan bahwa mesin diesel haruslah dibuat kokoh

dan kuat untuk dapat menahan gaya pembakaran yang sangat besar.

Pada umumnya bagian-bagian yang dikuatkan adalah torak, pena

torak,batang penghubung, dan poros engkol serta sejumlah bantalan

utama untuk mendukung poros engkol.

4. Perbedaan langkah ICE 2 tak dan ICE 4 tak ?

23

Jika mesin 4 tak memerlukan 2 putaran crankshaft dalam satu

siklus kerjanya, maka untuk mesin 2-tak hanya memerlukan satu

putaran saja. Hal ini berarti dalam satu siklus kerja 2 tak hanya terdiri

dari 1 kali gerakan naik dan 1 gerakan turun dari piston saja. Desain

dari ruang bakar mesin 2 tak memungkinkan terjadunya hal semacam

itu. Ketika piston naik menuju TMA untuk melakukan kompresi maka

katup hisap terbuka ( lihat gambar di bawah) dan masuklah campuran

bahan bakar dan udara, sehingga dalam satu gerakan piston dari TMB

ke TMA menjalankan dua langkah sekaligus yaitu kompresi dan isap.

Pada saat sesaat sebelum piston mencapai TMA maka busi menyala,

gas campuran meledak dan memaksa piston kembali bergerak ke

bawah menuju TMB. Gerakan piston yang ini disebut langkah

ekspansi. Namun sembari piston melakukan langkah ekspansi atau

usaha, sesungguhnya juga melakukan langkah buang melalui katup

buang (sisi kanan dinding silinder pada gambar) . Hal ini bisa terjadi

karena gas hasil pembakaran terdorong keluar akibat campuran bahan

bakar dan udara baru yang juga masuk dari sisi kiri dinding silinder.

Jadi, kenapa motor dengan mesin 2 tak harus memakai oli

pelumas samping selain pelumas mesin sudah jelas, karena model kerja

yang seperti itu membuat tenaga yang dihasilkan lebih besar.

Perbandingannya pada mesin 4 tak dalam 2 kali putaran crankcase = 1

x kerja sedangkan untuk 2 tak 2 kali putaran crankcase = 2 x kerja.

Untuk itu, dibutuhkan pelumas yang lebih karena putaran yang

dihasilkan lebih cepat. Hal itu juga menjawab kenapa mesin 2 tak lebih

berisik ,boros bahan bakar, menghasilkan asap putih dari knalpotnya

tetapi unggul dalam kecepatan dibandingkan mesin 4 tak. Istilahnya

“No Engine is Perfect !” Perbedaan yang lain juga terdapat pada bentuk

fisik pistonnya. Piston 2 tak lebih panjang dibanding piston 4 tak.

Selain itu bentuk piston head nya juga lain, piston 2 tak memiliki

semacam kubah untuk memuluskan gas buang untuk bisa keluar

sedangkan 4 tak tidak. Piston 2 tak juga memiliki slot lubang yang

berhubungan dengan reed valve yang berhubungan dengan cara kerja

masukan campuran bahan bakar – udara ke ruang bakar.

24

Sedangkan Mesin dua tak adalah mesin pembakaran dalam

yang dalam satu siklus pembakaran terjadi dua langkah piston, berbeda

dengan putaran empat-tak yang mempunyai empat langkah piston

dalam satu siklus pembakaran, meskipun keempat proses (intake,

kompresi, tenaga, pembuangan) juga terjadi. Mesin dua tak juga telah

digunakan dalam mesin diesel, terutama rancangan piston berlawanan,

kendaraan kecepatan rendah seperti mesin kapal besar, dan mesin V8

untuk truk dan kendaraan berat lainnya.

25