GAS POWER CYCLE GAS POWER CYCLE BAHAN KULIAH BAGIAN I BAHAN KULIAH BAGIAN I ANALISIS TERMAL ANALISIS TERMAL - TF 3205 TF 3205 Dr. Ir. I. B. Ardhana Putra Dr. Ir. I. B. Ardhana Putra 2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 1
GAS POWER CYCLEGAS POWER CYCLE
BAHAN KULIAH BAGIAN IBAHAN KULIAH BAGIAN IANALISIS TERMAL ANALISIS TERMAL -- TF 3205TF 3205
Dr. Ir. I. B. Ardhana PutraDr. Ir. I. B. Ardhana Putra2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 1
INTRODUCTION (1)INTRODUCTION (1)
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 2
SIKLUS TERMODINAMIK :
Serangkaian proses termodinamik untuk memindahkan kalor dan kerjamelalui perubahan tekanan, suhu, dan variabel keadaan lain yang pada akhirnya mengembalikan suatu sistem ke kondisi semula-nya.
SIKLUS TERMODINAMIK
SIKLUS DAYA GAS : (Terbuka dan Tertutup)Konversi kalor input berfase gas dirubah menjadi kerja output. Fase gas terbentuk sepanjang siklus
SIKLUS DAYA UAP :Konversi kalor input berfase uap dirubah menjadi kerja output. Uap mengalami proses kondensasi sebelum proses penguapan dilakukan kembali
SIKLUS REFRIGERASI :Perubahan fase refrigeran (uap cair) digunakan untuk memindahkan kalor atau meghasilkan pendinginan
INTRODUCTION (2)INTRODUCTION (2)
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 3
SIKLUS TERMODINAMIK : umumnya terdiri dari 4 proses termodinamik,
1. Kompresi
2. Penambahan kalor
3. Ekspansi
4. Pelepasan kalor
Untuk kondisi ideal salah satu variabel dipegang konstan selama terjadi proses termodinamik sehingga dikenal :
1. Proses ISOTERMAL 2. Proses ISOBARIK3. Proses ISOKORIK4. Proses ISENTROPIK5. Proses ISENTALPIK6. Proses ADIABATIK
INTRODUCTION (3)INTRODUCTION (3)
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 4
• HUKUM TERMODINAMIKA – 1 (Konservasi Energi)
• HUKUM TERMODINAMIKA – 2
• PERSAMAAN KEADAAN (Hukum Gas Ideal)
• KONSERVASI MASSA
• KONSERVASI MOMENTUM
Semua proses termodinamik yang terjadi di-analisa dengan :
Pemahan kembali terhadap hukum-hukum dan proses termodinamika harus dilakukan untuk dapat mengikuti kuliah ini dengan lebih mudah.
Brief RBrief Review : Thermodyneview : Thermodynamicsamics
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 5
REVIEW THERMODINAMIKAREVIEW THERMODINAMIKA
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 6
HUKUM TERMODINAMIK : Suatu bentuk aksiomatik dasar dari proses termodinamika yang menentukan besaran-besaran fisis (suhu, energi, entropi) suatu sistem termodinamik dan menjelaskan perpindahan atau konversi kalor dan kerja dalam setiap proses termodinamik
Hukum Termodinamika – 0 : generalisasi dari prinsip keseimbangan energi
Hukum Termodinamika – 1 : menjelaskan bahwa energi dapat dirubah atau di-transformasikan berdasarkan kaidah konservasi energi, yang berarti pula energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan
Hukum Termodinamika – 2 : entropi suatu sistem makroskopik yang terisolasi tidak akan berkurang di alam entropi selalu bertambah
Hukum Termodinamika – 3 : tidak mungkin mendinginkan suatu sistem sampai ke kondisi absolute zero
REVIEW THERMODINAMIKAREVIEW THERMODINAMIKAHukum Thermodinamika• Prinsip konservasi energi. Energi bisa mengalami peribahan selama
suatu proses termodinamika berlangsung akan tetapi jumlah energi total tetap konstan.
• Energi disebut memiliki kuantitas dan kualitas Hukum thermodinamika II
• Hukum thermodinamika 0, I, II
System Thermodinamika• System : kuantitas suatu matter atau region didalam suatu ruang
yang ditentukan.• System tertutup (closed system) : tidak terjadi perpindahan masa
melalui selubung ruang yang ditentukan.• System terbuka (open system) : volume kontrol suatu region tertentu
dimana terjadi aliran masa pada batas region tersebut.
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 7
REVIEW THERMODINAMIKAREVIEW THERMODINAMIKA
Sifat-sifat suatu sistem thermodinamik• Sifat dasar : P, T, V, m
• Sifat turunan : misalnya : keraptan masa (density) adalah
Sifat-sifat Intensif dan Ekstensif• Sifat-sifat Intensif : adalah sifat-sifat termodinamis suatu sistem yang
tidak tergantung dari ukuran sistem tersebut : P, T,
• Sifat-sifat Ekstensif : adalah sifat termodinamis suatu sistem yang diengaruhi oleh ukuran sistem tersebut : m, V
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 8
Vm
Enthalpy • ∆H atau enthalpy adalah kuantitas perubahan energi dalam suatu proses
pada tekanan konstan
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 9
H = E + PV atau ∆H = ∆E + P∆V
Perubahan energi
Untuk volume konstan maka komponen ini = 0
• Hanya ditentukan oleh kondisi awal dan akhir perubahan energi tersebut kondisi intermediate tidak relevan
PdVduPdVVdPdudh Dalam suatu sistem dengan tekanan konstan :
SIKLUS THERMODINAMIKASIKLUS THERMODINAMIKA
• Ditinjau dari jenis fluida kerjanya :– Siklus gas : fase gas tetap terbentuk sepanjang siklus– Siklus uap : dalam sebagian siklus fluida kerja berupa
uap dan sebagian dalam fase cair
• Ditinjau dari jenis siklusnya :– Siklus terbuka : fluida kerja diperbaharui setiap satu
siklus– Siklus Tertutup : fluida kerja kembali ke-kondisi awal
setiap satu siklus
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 10
Jenis Siklus
• Siklus Carnot• Siklus Otto• Siklus Diesel• Siklus Stirling dan Ericsson• Siklus Brayton• Siklus Rankine
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 11
Siklus Carnot• Terdiri dari 4 proses yang sepenuhnya
reversibel :
• Merupakan siklus daya yang paling efisiendigunakan sebagai acuan bagi siklus aktualatau ideal lainnya karena proses isotermalyang reversible hampir tidak mungkin dibuatdalam kondisi nyata.
• Carnot cycle dapat bekerja dalam sistemtertutup atau terbuka dengan aliran yang ajeg (steady flow) dengan menggunakanfluidafluida kerjakerja gas atau uap.
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 12
Qout
Qin
TL
TH
21
3 4
Isen
tropi
k
Isen
tropi
k
T
S
isotermal
isotermal
1 2 proses pengambilan kalor – isothermal2 3 proses kompresi – isentropik3 4 proses pelepasan kalor – isotermal4 1 proses ekspansi - isentropik
CARNOT CYCLECARNOT CYCLE
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 13
T
S
1 2
34
QL
QH
12
3
4
QL
QH
Kompresor
Turbine
Cold region
Hot region
Evaporator
Condenser
H
LCarnotth T
T 1,
TL
TH
EFISIEN SIKLUS CARNOTEFISIEN SIKLUS CARNOT
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 14
T
S
1 2
34TL
TH
qin
qout
s 2 = s3s 1 = s4
1243
12
ssTssTqssTq
LLout
Hin
efisiensi termal th didefinisikan sebagai : perbandingan antara kerja total (Wnet) yang dihasilkan sistem dengan kalor yang diperlukan (qin) untuk menghasilkan kerja tersebut
H
L
H
L
in
out
in
outin
in
netth
TT
ssTssT
qqq
qW
11
1
12
12
Rumus diatas menunjukkan bahwa efisiensi termal mesin Carnot tidak tergantung dari jenis fluida kerja maupun jenis siklus tertutup/terbuka
CARNOT ENGINE
09/02/2011 I. B. Ardhana Putra 15
T
S
1 2
34Qout
Qin1 2
34
Qin
Qout
isentropicturbine
Cold regionCold region
Hot regionHot region
isothermalcompressor
isothermal turbine
H
LCarnotth T
T 1,
TL
TH
adalah efisiensi mesin Carnot yang bekerja pada suhu TL dan TH
isentropic compressor
Mesin Carnot
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 16
1
2
3
4Qout
Qin
Wnet
KompresorisentropikKompresor
isotermal
Turbinisotermal
Turbinisentropik
• Terdiri dari 4 jenis komponen : - kompresor isotermal dan isentropik- turbin isotermal dan isentropik
• Pelepasan dan pengambilan kalor (Qout,Qin ) terjadi pada proses isotermalsedangkan kerja (Wnet ) dihasilkan pada proses isentropik
SiklusSiklus OttoOtto
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 17
The History of EnginesThe History of Engines• 1769 – James Watt patents his first improved steam engine.• 1806 – François Isaac de Rivaz invented the first successful Internal Combution Engine (ICE).• 1816 – Robert Stirling invented his hot air Stirling Engine, and what we now call a “regenerator”.• 1824 – Nicolas Léonard Sadi Carnot first publishes that the efficiency of a heat engine depends on the
temperature difference between an engine and its environment.• 1877 – Nikolaus Otto patents a four-stroke internal combustion engine (US Patent 194,047).• 1882 – James Atkinson invents the Atkinson Cycle engine, now common in some hybrid vehicles.• 1892 – Rudolf Diesel patents the Diesel engine (US Patent 608,845).• 1899– Ferdinand Porsche creates the first hybrid vehicle.• 1905 – Alfred Büchi patents the turbocharge.• 1929 – Felix Wankel patents the Wankel rotary engine (US Patent 2,988,008).• Late 1930s – Hans von Ohain and Frank Whittle separately build pioneering gas turbine engines
intended for aircraft propulsion, leading to the pioneering turbojet powered flights in 1939 Germany and 1941 England.
• 1980s – Electronic Fuel Injection (EFI) appears on gasoline automobile engines.• 1990s – Hybrid Vehicles that run on an internal combustion engine (ICE) and an electric motor charged
by regenerative braking
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 18
Bagian-bagian Mesin Otto
2/9/2011 19
Katup Buang
Saluran BuangSaluran Hisap
Katup Hisap
Spark-plug (Busi)
Ruang BakarKepala Piston
Crank-shaftTangkai Piston
Fly-wheel (Roda Gila)
Ruang Pelumas
GerakGerak PistonPiston
Gerak FlyGerak Fly--wheelwheel
Injektor Bahan Bakar
Udara Masuk Gas Buang
I. B. Ardhana Putra
Prinsip Kerja Siklus Otto
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 20
• Setiap siklus terdiri dari 4 langkah dengan 2 putaran penuh crank shaft setiap siklus disebut ‘mesin 4 langkah’
• Perubahan termodinamis campuran bahan bakar dan udara pada setiap siklus terjadi dalam fasa gas
1 2 3 4
1. Langkah Hisap (Intake) 2. Langkah Tekan (Compression)3. Langkah Bakar (Ignition)4. Langkah Buang (Exhaust)
www.eng.warwick.ac.uk/.../engine/ic018.htm
Induction Stroke (Langkah Hisap/Induksi) : katup hisap terbuka dan katup pembuangan tertutup saat kepala piston bergerak kebawah campuran udara dan bahan bakar memasuki ruang bakar melalui saluran hisap. Langkah piston berhenti ketika mencapai BDC (Bottom Dead center).
Compression Stroke (Langkah Tekan) :Terjadi saat kepala piston bergerak keatas
katup hisap dan katup buang tertutup. Tekanan campuran udara dan bahan bakar meningkat .
Langkah ini berakhir saat kepala piston mencapai TDC (Top Dead center). Gerak piston
keatas diakibatkan oleh momentum yang dihasilkan oleh fly-wheel
1
2
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 21
Spark Ignition (Proses Pembakaran)Spark ignition titik saat busi menghasilkan percikan api dan mebakar campuran udara dan bahan bakar bertekanan tinggi yang terdapat dalam ruang piston dianggap sebagai saat mulai ditimbulkannya daya mekanik oleh udara dan bahan bakar yang dipindahkan ke piston.
Power StrokePembakaran udara-bahan bakar menimbulkan
tekanan gas yang sangat tinggi yang mendorong piston bergerak kebawah. Gerak linier piston di konversikan menjadi gerak putar crank-shaft
dirubah menjadi momentum oleh fly-wheel. Energi yang dihasilkan digunakan sebagai kerja dan
sebagian untuk mengkompensasi kehilangan kerja (work losses) akibat langkah kompresi dan gerak
buka-tutup katup, kerja injektor dll.
3
4
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 22
Exhaust Stroke (Langkah Buang)Langkah ini mirip dengan langkah hisap (induction) dimana gas hasil pembakaran dibuang melalui saluran buang. Langkah ini harus terjadi secara sempurna agar tidak ada sisa hasil pembakaran tertinggal didalam ruang piston.
Exhaust and Inlet Valve OverlapMerupakan kondisi overlap antara mulai terbukanya
katup hisap dan tertutupnya katup buang. Katup hisap mulai terbuka sesaat sebelum piston mencapai
TDC.
5
6
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 23
Complete Otto Cycle Complete Otto Cycle
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 24
Copyright 2003 Kruse Technology Partnership
Campuran Udara-Bahan Bakar
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 25
TDC
BDC
Langkah Piston
Katup Hisap
Katup Buang Campuran
udara-bahan bakar
Katup Hisap
Katup Buang
Vmax
Vmin
Compression Ratio :
TDCBDC
VV
VVr
TDC
BDC min
max
][ 3cmareaborethstrokelengcylindersNumberofntDisplacemeEngine
MEP
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 26
Wnet
Wnet
MEP
P
minmax VVWMEP net
MEP : Mean Effective PressureAdalah tekanan fiktif yang bila diberikan kepada piston selama siklus akan menghasilkan kerja total (W net) yang sama dengan kondisi aktualnya
kPa
VminVmax
TDC BDC
minmax VVMEPWnet kJ/kg
KI
KB
Siklus Otto – Aktual
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 27
55
22
44
11
11Langkah Hisap ( Intake Stroke)
22Langkah kompresi ( Compression Stroke)
33 Proses Pembakaran( Ignition Process)
44 Langkah Ekspansi( Expansion Stroke)
55 Langkah Buang( Exhaust Stroke)
KI
KB
33
Siklus Otto – Ideal
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 28
qin
qout
TDC BDC V
P
Keseimbangan energi per satuan massa merupakan total kalor dan kerja yang terjadi setiap satu siklus penuh (complete cycle) :
uwwqq outinoutin
Pada saat perpindahan kalor (qin danqout ) tidak terjadi kerja karena perpindahan kalor terjadi pada volume tetap, sehingga :
14
14
23
23
TTcuuq
TTcuuq
v
out
v
in
1
111
1
232
141
23
14
,
TTTTTT
TTTT
qqq
qw
in
out
in
outin
in
netOttoth
Sesuai dengan Hukum Thermodinamika II untuk suatu proses isentropik maka berlaku :
3
4
1
4
3
1
1
2
2
1
1
4
3
3
4
1
1
2
2
1
TT
vv
vv
TT
vv
TTdan
vv
TT
Dimana
v
p
cc
2
1
2
1
min
max
1,11
vv
VV
VVr
rOttoth
Efisiensi thermodinamik siklus Otto adalah :
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 29
Contoh-contoh Mesin Otto
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 30
Intake + Compression
Cylinder
Combustion + Power Cylinder
(Scuderi) Split Cycle Engine
Spark-plug Pembakaran fuel+udara
Crank-shaft
Cylinder Head (Piston)
Saluran udara
Carmelo Scuderi
Scuderi Engine
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 31
NORMAL SYSTEM HYBRID SYSTEM
Air Storage Tank
Siklus Otto dalam Mesin Mobil
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 32
http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html
Exhaust Cam
Exhaust Valve
Clutch
Gear Box
Fly Wheel
Crank
Connecting Rod
Piston
Intake Valve
Intake Cam
Spark Plug
Susunan Piston Dalam Mesin Otto
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 33
http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html
Gerakan Piston Single dan V
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 34
http://www.howstuffworks.com/engine.htm/printable
Wankle Engine
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 35
Menggunakan rotary compressor
http://www.absoluteastronomy.com/topics/Wankel_engine
Carburretor
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 36
Carburretor digunakan untuk : : 1. Mengatur laju aliran udara
melalui choke butterfly danmencampur udara denganbahan bakar (fuel) secaramerata sebelum memasukiruang bakar
2. Mengatur laju aliran bahanbakar untuk menjagacampuran udara dan bahanbakar (throttle butterfly) berada dalam rentang yang tepat mengatur suhupembakaran
Otto cycle memerlukan penyampuran udara dan bahan bakar (fuel) pengotrolan fasa dan laju aliran massa fuel serta udara (oxygen) dilakukan secara mekanik dalam carburretor
• Pipa udara melalui venturi untuk meningkatkan kecepatan aliran
• Pembentukan fasa kabut bahan bakar (fuel)• Terjadi campuran udara dan fuel
ALIRAN UDARAALIRAN BAHAN BAKAR
Cara Kerja Carburettor
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 37
Idle Condition
airfuel
Approaching Condition
Accelerating Condition
• Untuk mecapai kinerja carburretoryang ideal diperlukan kondisitermodinamis udara dan bahanbakar yang ideal – viskositas, inersia dan gesekan terhadap aliranudara/bahan bakar.
• Dalam kondisi praktis deviasi darikondisi ideal sulit dikompensasiterutama pada kecepatan rendahatau sangat tinggi.
• Carburretor harus dapatmenghasilkan campuran udara/fuel untuk berbagai suhu dan tekananudara atmosfir, variasi kecepatandan beban kendaraan sertamengatasi gaya setrifugal padakendaraan
Pada gambar ditunjukkan variasijumlah bahan bakar yang dicampurdengan udara untuk berbagaikecepatan kendaraanAccelerator pump
bekerja untuk menambah laju aliran massa fuel
Electronic Fuel Injector
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 38
EFI memiliki prinsip kerja mirip dengan carburretor. EFI mengontrol injeksi fuel secara elektronik langsung ke intake manifold yang berada dekat intake valve.EFI telah digunakan pada mesin-mesin mobil saat ini. Diperkenalkan tahun 1991 oleh Toyota.
EFI memiliki keunggulan :1. Dapat mengatur emisi gas
buang2. Lebih ekonomis dalam
penggunaan fuel3. Meningkatkan kinerja mesin
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 39
Katup Hisap & Katup Buang
Sensor suhu yang mengaturwaktu spray dari injector
EFI = Electronic Fuel Injector
Distributor pengapian (ignition) – memberi sinyal kepada ECU untuk membuka injector
Full Load Switch
ECU = Electronic Control Unit
Katup tambahanuntuk kondisi idle
Filter udara &Throttle Butterfly
Pedal gas
Throttle Switch
Electric Fuel Pump
Manifold Sensor
Fuel tank
Fuel Pressure RegulatorFuel
FilterConnection to battery
Aliran udara
Contoh Rangkaian Sistem EFI - BOSCH
Contoh : Sistem Kontrol EFI-BOSCH
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 40
To ECU
INJECTOR – 1INJECTOR – 2
SENSOR
TURBO CHARGE CYCLE
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 41
• Dalam combustion engine NA (Normal Aspirated) udara luar dialirkan melalui carburretor tekanan udara adalah tekanan atmosfir normal akibatnya jumlah fuel yang dibakar terbatas sesuai dengan tekanan atmosfir tersebut
• Daya mesin dapat ditingkatkan pada rpm yang sama dengan meningkatkan tekanan gas campuran udara-bahan bakar pada saat langkah daya (power stroke) diperlukan pompa (forced induction pump) untuk menambah tekanan gas campuran udara-bahan bakar kedalam ruang silinder terjadi peningkatan efisiensi voulme metric (v).
• Daya yang dihasilkan dari penambahan forced induction pump ini dapat mencapai 35% - 60% dibandingkan NA engines. Salah satu sistem yang digunakan untuk meningkatkan jumlah campuran udara-bahan bakar kedalam silinder adalah TURBO CAHRGING SYSTEM
• TURBO CAHRGER adalah kompresor yang digunakan untuk menghisap dan memberikan tekanan udara tambahan yang akan dialirkan kedalam ruang bakar
Skematik Posisi Turbo Charger
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 42
Popular Mechanicshttp://gas2.org/tag/turbochargers/
http://www.gmhightechperformance.com/features/0609htp_2007_saturn_sky_red_line/photo_12.html
Udara pendingin
Udara bertekanan dan bersuhu tinggi dari Turbo Charger
Udara bertekanan tinggi dan bersuhu rendah dari Turbo Charger dialirkan ke intake manifold
TURBO CHARGER
Skematik Turbo Charger
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 43
http://www.enzeecommunity.com/blogs/nzblog/2008/01
Turbo Charger Unit :• Terdiri dari 2 bagian : kompresor dan turbin• Udara ambient dialirkan ke kompresor udara dengan tekanan tinggi bercampur
dengan gas buang dari exhaust manifold yang telah melalui turbin• Campuran udara ambient+gas buang bertekanan tinggi dialirkan kembali ke inlet
manifold pada silinder
http://carsinthefastlane.com/modifications/the-best-bang-for-the-buck-performance-modification
TURBO CHARGE SYSTEM TURBO CHARGE SYSTEM PadaPada MesinMesin DieselDiesel
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 44
Mesin Diesel
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 45
Rudolf Diesel, adalah penemu mesin diesel (1892) berdasarkan pada prinsip hot-bulb engine.
Memperoleh paten pada tahun 1893
Tujuan utama Diesel adalah membuat mesin yang dapat menggunakan berbagai bahan bakar
PerbandinganPerbandingan Diesel Diesel vsvs OttoOtto
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 46
Diesel Otto• Internal combustion• No ignition
• Internal combustion• Requires ignition
• reciprocating engines • reciprocating engines
• higher compression ratio• 14:1 - 24:1
• lower compression ratio• limited by the air-fuel mixture
entering the cylinders• 10:1 most cars = 7:1
Power is a direct function of the amount of fuel burned in the cylinders. Power is limited solely by the amount of fuel injected into the engine cylinders
Power is indirectly controlled bythe butterfly valve in the carburetor and the amount of fuel entering the engine.
PrinsipPrinsip DasarDasar Diesel EngineDiesel Engine
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 47
• Campuran udara-bahan bakarberbentuk gas diberikan tekanansehingga suhunya meningkatmencapai 7000 – 9000 C atau 13000 –16500 C.
• Pada tekanan dan suhu tinggicampuran udara-bahan bakarterbakar dan menghasilkan daya yang mendorong piston kembali kebawah direct power transfer
• Jenis mesin disel: • 2 - langkah• 4 - langkah.
• Kecepatan mesin diesel :• High-speed : ≥ 1200 rpm• Medium-speed : approximately
300 to 1200 rpm• Low-speed about 60 to 100 rpm,http://auto.howstuffworks.com/diesel-two-stroke1.htm
Pembakaran (ledakan) terjadi saat langkah kompresi
Diesel CycleDiesel Cycle
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 48
Process a – b Adiabatic Compression Win
Process b – c Fuel injection and combustion at constant pressure Qin
Process c – d Adiabatic Power Expansion Wout
Process d – a Exhaust at constant volume Qout
Wout
Win
http://auto.howstuffworks.com/diesel-two-stroke1.htm
Skematik Langkah-langkah dalam Mesin Diesel
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 49
Induction Stroke (Langkah Hisap/Induksi) : Udara luar dihisapmelalui katup hisap. Jumlah udara yang dihisap kedalam ruangsilinder menentukan daya yang akan dihasilkan saat prosespembakaran. Secara teoritis langkah induksi akan dimulai padaTDC dan berhenti saat piston mencapai BDC. Secara praktis, untukmengatasi delay katup mekanikal dan inersia udara masuk sertamengambil keuntungan momentum gas exhaust, maka langkah inidimulai dan berakhir secara bervariasi pada posisi batang piston 00, 1800, 3600, 5400, dan 7200.
1
http://www.kruse-ltc.com/Diesel_LTC/diesel_ltc_cycle.php#
2
Compression Stroke (Langkah Tekan) :Dimulai saat kepala piston bergerak keatas katup hisap dan
katup buang tertutup. Tekanan dan suhu udara meningkat sampai pada titik bakar dari bahan bakar yang diinjeksikan kedalam ruang
silinder. Pada langkah ini pemisahan antara udara dan bahan bakar dapat menghindarkan terjadinya ‘auto ignition’, sehingga mesin Diesel dapat beroperasi pada tekanan yang lebih tinggi.
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 50
3
Compression Ignition (Langkah Kompresi Bakar)Langkah kompresi bakar terjadi saat bahan bakar yang di-injeksikan langsung kedalam silinder oleh fuel injector bertekanan tinggi, secara spontan terbakar.Pada mesin diesel konvensional semua bahan bakar di-injeksikan kedalam silinder, akan tetapi untuk mengurangi terbentuknya NOxmaka pada mesin diesel baru (LTC = Limited Temperature Cycle) hanya sebagian bahan bakar yang di-injeksikan secara langsung kedalam silinder sehingga membatasi suhu pembakaran. Full power dicapai dengan meng-injeksikan sisa bahan bakar tersebut pada saat langkah daya (power stroke).
4
Power Stroke (Langkah Daya)Langkah Daya dimulai saat bahan bakar yang di-injeksikan
kedalam silinder dan udara secara spontan terbakar dan menimbulkan tekanan yang kemudian mendorong piston
kebawah.Pada saat ini, sisa bahan bakar yang sengaja dilakukan
pada langkah kompresi di-injeksikan kedalam silinder
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 51
5
Exhaust Stroke (Langkah Buang)Langkah Buang merupakan langkah yang kritis seperti pada langkah hisap. Proses yang terjadi harus halus dan efisien. Gas yang dihasilkan pada langkah bakar dibuang dari silinder melalui katup buang. Diharapkan semua gas yang terbentuk dapat dibuang karena sisa gas akan menempati ruang silinder dan mengurangi volume udara yang akan dihisap pada saat langkah hisap. Berkurangnya volume udara yang dihisap akan mengurangi terbentuknya daya maksimum.
6
Exhaust and Inlet Valve OverlapKatup buang dan hisap bekerja secara overlap pada saat
transisi antara langkah buang dan hisap. Hal ini merupakan kebutuhan praktis setiap mesin bakar agar katup mekanikal
(buang dan hisap) beroperasi secara efisien. Katup hisap perlu terbuka sebelum piston mencapai TDC saat langkah buang.
Demikian juga halnya untuk membuang semua gas hasil pembakaran maka katup buang harus tetap terbuka setelah
piston mencapai TDC ada saat dimana kedua katup terbuka.
Efisiensi termal maksimum siklus diesel : tergantung pada rasio kompresi dan rasio cut-off
1111 1,
rDieselth
spesifikkalorrasiocc
kompresirasioVVr
offcutrasioVV
v
p
2
1
2
3
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 52
12
3
2
3
2
3
112
11
2
1
1
2
1
rT
T
TT
VV
rTT
rVV
TT T3 suhu nyala bahan bakar – suhu
nyala adiabatik
T2 suhu bahan bakar inlet
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 53
The 2The 2--stroke diesel cycle.stroke diesel cycle.
The The 44--stroke diesel cycle.stroke diesel cycle.
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 54
IsuIsu EkologiEkologi –– Gas Gas BuangBuang MesinMesin DieselDiesel
• Rasio tekanan dan suhu pembakaran yang tinggi dalam mesin diesel mesin diesel melepaskan extra pollutant ke udara seperti gas NOxyang berbahaya
• Pengembang mesin diesel menciptakan mesin yang menghindarkan pelepasan gas Nox ke udara BlueTec – Mercedez menggunakan 2 komponen katalik untuk merubah gas Nox
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 55
NH3 + NOx N2 + H2 O
BlueTec System
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 56
http://www.greencarcongress.com/2006/01/daimlerchrysler.html
ContohContoh mesinmesin diesel diesel
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 57
The 6.0-liter V-12 of the Enzo Ferrari
2008 - Mercedes-Benz C63 AMG
Subaru Boxer Turbodiesel
SiklusSiklus StirlingStirling
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 58
Stirling Cycle
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 59
Stirling engineMenghasilkan konversienergi kalor menjadi energimekanik dengan merubah-rubah kompresi dan ekspansiudara dalam jumlah yang konstan pada suhu yang berbeda-beda
• Ditemukan pada 1816 oleh Robert Stirling menjadi kompetitor Mesin Uap• Menjadi populer saat ini karena menggunakan udara (environmental friendly) disebut juga hot air engine
• Merupakan siklus tertutup disebut juga closed-cycle regenerative heat engine
Stirling Engine Types
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 60
1. Alpha Type 1. Alpha Type 2. Beta Type 2. Beta Type 3. GammaType 3. GammaType
Konfigurasi Stirling Engine
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 61
Alpha Type
Gamma TypeBeta Type
Thermal Distribution
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 62
Alpha Type
THotCold
qin
qoutTH
TL
1 2
3 4
Alpha Type
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 63
Beta Type
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 64
Silinder panas
Silinder Dingin
Inlet/Outlet cairan pendingin
Insulator kalor –memisahkan silinder panas dan dingin
Pemisah piston
Piston daya
Fly-wheel
http://gardeningisfun.files.wordpress.com/2008/02/stirling-engine.jpg
Stirling Type
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 65
Lemman Engine Betha Stirling Engine
Air engine
http://www.ent.ohiou.edu/~urieli/stirling/engines/beta.html
PerbandinganPerbandingan SiklusSiklus StirlingStirling dandan
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 66
11CompressionCompression
Compression Space
Compression Space
Compression Space
Compression Space
Expansion SpaceExpansion Space
Expansion SpaceExpansion Space
RegeneratorRegenerator
Displacer
Displacer
Displacer
Displacer
22
DisplacementDisplacement
33
ExpansionExpansion
33DisplacementDisplacement
RegeneratorRegenerator
Bet
a C
onfig
urat
ion
Alp
ha C
onfig
urat
ion
Stirling Type
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 67
http://www.odts.de/esg/ST5engl.html
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 68
Kalor input memanaskan silinder kiri terjadi ekspansi udara sehingga menggerakan piston kiri kebawah dan piston kanan bergerak keatas
Kalor dilepaskan pada volume konstan. Gas panas dilewatkan ke regenerator terjadi pendinginan
Gas mengalami kompresi pada suhu rendah gas melepaskan kalor ke tandon dingin
Penambahan kalor terjadi pada volume konstan. Gas dialirkan kembali melalui regenerator dengan membawa kalor yang masih tersisa pada proses 2.
Termodinamika Siklus Stirling type
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 69
Diagaram P-V
Diagaram T-S
qin
qout
qin
qout
Siklus Stirling adalah siklus reversibel penuh sehingga sama dengan termodinamis siklus Carnot
TH
TL
H
LStirlingth T
T 1,
Gamma Type
Karakteristik Mesin Stirling
• Gas yang digunakan harus mempunyai kapasitas kalor yang rendah kalor yang diterima menghasilkan peningkatan tekanan yang tinggi, misalnya HIDROGEN, HELIUM, METANA, AMONIA
• Mesin Stirling merupakan mesin external combustion perlu pemanasan ‘warming up time’ sebelum mulai bekerja hanya baik untuk mesin berkecepatan konstan
• Menghasilkan daya output yang konstan untuk mengubah-ubah daya output diperlukan mekanisme tambahan
• Selain regenerator, mesin Stirling memerlukan heat exchanger pada kedua silinder penerima kalor (bagian panas) dan pelepas kalor (bagian dingin)
• Mesin Stirling bekerja pada beda suhu yang tinggi pada bagian panas dan dingin material heat exchanger harus dipilih yang memiliki konduktivitas kalor tinggi sedangkan material silinder harus tahan panas
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 70
Penggunaan Mesin Stirling• Power Station• Solar Power generator• Cryogenic Cooling• Heat Pump• Aircraft, Ship and Automotive Engines
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 71
Keunggulan• Dapat menggunakan sumber kalor secara langsung• Mempunyai komponen-komponen mesin yang sederhana• Cukup aman karena tidak menggunakan bahan bakar yang flamable• Waste heat yang dihasilkan dapat digunakan kembali dalam proses
atau langkah siklus selanjutnya
Kelemahan• Memerlukan heat exchanger sehingga pemilihan material menjadi
faktor yang sangat krusial• Mekanisme disipasi kalor cukup rumit
Power GenPower Generator erator DenganDengan Renewable Renewable Energy SouEnergy Sourcerce
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 72
Wave Energy
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 73
http://www.engineering.lancs.ac.uk/lureg/group_research/wave_energy_research/wraspa.php
http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2007/06/
Wind Energy
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 74
Solar Energy
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 75
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 76
SIKLUS BRAYTONSIKLUS BRAYTON
Brayton’s Cycle
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 77
Ditemukan oleh George Baily Brayton, walaupun tidak mencapai sukses komersial karena kurang kompak dan efisien dibandingkan spark-ignition engines (Otto engine)
Frank Whittle menemukan keterbatasan piston driven engine untuk mesin pesawat berkecepatan tinggi dibutuhkan mesin yang berbasis continuous flow turbine diperlukan pembakaran terjadi pada tekanan konstan siklus Brayton digunakan pada mesin propulsion untuk pesawat
Jenis Siklus Brayton
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 78
1, Jenis Siklus Terbuka
2, Jenis Siklus Tertutup
Mesin Pesawat jenis propulsion
Turbine Gas untuk pembangkit tenaga listrik
Siklus Brayton Terbuka
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 79
Salah satu contoh Siklus BraytonTerbuka adalah turbojet continuous flow
1) Udara Intake dalam sebuahcompressor assembly prosesyang terjadi dalam kondisiadiabatik
2) Bahan bakar kemudian dicampurdengan udara bertekanan dandibakar dalam combustion chamber proses terjadi padatekanan konstan
3) Gas panas hasil pembakarandalam combustion chamber dialirkan kearah belakang untukmemperoleh daya dorong. Alirangas panas juga memutar turbin dankompresor.
Contoh Mesin TurboJet Pesawat
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 80
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 81
JENIS MESIN JENIS MESIN PESAWATPESAWAT
Primary Air Stream
Air Inlet
Outer Nozzle
Fuel Injection
TurbineHot
Gases
Inner Nozzle
Combustion Chamber
CompressorFuel
InjectionTurbine
NozzleCombustion Chamber
Compressor
Hot Gases
Nozzle
Burner
TURBOFANTURBOFAN
TURBOJETTURBOJET
Hot Gases
Air Inlet
RAMJETRAMJET
Diffuser
Duct Fan
Secondary Air Stream
Siklus Brayton Tertutup
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 82
Siklus Brayton Tertutup umumnyadigunakan dalam Power Plant
Untuk Pembangkit Listrik TenagaUap (PLTU) :
• Uap panas dihasilkan melaluipembakaran fluida kerja uappanas dialirkan ke turbin kerjaW dihasilkan
• Uap panas dari turbin didinginkandan dialirkan kembali kekompresor dipanaskan untukdialirkan kembali turbin
• Kemungkinan digunakansecondary heat exchanger memanfaatkan kalor exhaust untuk pemanasan awal fluidakerja efisiensi energi
Termodinamika Siklus Terbuka
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 83
1 2
3
Jet-Propulsion Cycle
Perubahan Tekanan, Suhu dan kecepatan aliran fluida dalam siklus Brayton terbuka
Tekanan exhaust diharapkan sebesar mungkin karena digunakan sebagai thrust atau daya dorong pesawat
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 84
Mesin Pesawat Turbofan
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 85
Proses After Burner dalam Mesin Turbo Jet
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 86
Proses afterburner adalah penambahan kalor pada fluida kerja pada tekanan konstan bahan bakar ditambahkan pada gas exhaust dan membakarnya kembali
Termodinamika Siklus Tertutup
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 87
1
2 3
4
Kinerja Termodinamis Siklus Tertutup
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 88
Dalam satu siklus lengkap maka energi dalam = 0
Kerja total yang dihasilkan adalah total kalor yang terjadi dalam sistem :
dimana
adalah kalor yang dilepaskan
adalah kalor yang ditambahkan melalui combustor dan
a
b c
d
q1
q2
Kerja total per satuan massa
Sehingga efisiensi termodinamik sebagai fungsi suhu menjadi :
Pada proses a – d dan b – c diperoleh :
Sehingga diperoleh juga
Maka efisiensi termodinamik siklus BraytonDalam fungsi suhu menjadi :
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 89
Jika rasio suhu dinyatakan sebagai :
maka efisiensi termodinamika dapat dituliskan sebagai :
dimana TR dan PR adalah rasio suhu dan rasio tekanan yang terjadi pada kompresor
Untuk memperoleh efisiensi termodinamik yang tinggi maka TR >> tetapi rasio suhu yang besar menyebabkan suhu fluida kerja yang meninggalkan kompresor mendekati suhu fluida kerja yang masuk kedalam turbin akibatnya : Tb Tc Hal ini berarti kerja
0 atau menjadi kecil
Rancangan berbasis efisiensi termal maksimum tidak efektif
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 90
Kriteria yang lebih bermakna adalah menggunakan kriteria daya per unit massa, sehingga :
Kerja per unit massa
dimana Ta = suhu udara luar Tb = suhu keluar kompresorTc = suhu maksimum masuk turbin Td = suhu maksimum meninggalkan turbin
Oleh karena suhu udara luar dianggap tetap maka dTc dan dTa menjadi =0 sehingga Kerja Maksimum terjadi jika :
sedang
sehingga rasio suhu Kompresor untuk memperoleh kerja maksimum :adalah :
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 91
Kerja per unit massa
Sehingga Daya yang dihasilkan dapat dinyatakan :
Dengan merubah-rubah rasio suhu
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 92
maka untuk rasio kompresi yang sama diperoleh kerja yang lebih besar
REGENERATORREGENERATOR
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 93
• Dalam gas-turbine engines suhu gas (udara) yang meninggalkan turbin tdsangat tinggi t d ta, maka udara udara bertekanan tinggi yang meninggalkan kompresor dapat dipanaskan dengan kalor dari udara yang meninggalkan turbin .
• Pemanasan udara yang meninggalkan kompresor dilakukan melalui counter-flow heat exchanger REGENERATOR atau RECUPERATOR
Vertical Regenerator Horizontal Regenerator
COUNTERFLOW REGENERATORCOUNTERFLOW REGENERATOR
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 94
KOMPRESOR TURBIN
REGENERATOR
RUANGBAKAR
1
2 3
45
6Kalor regenerasi dihasilkan pada proses: 2 – 5 kalor dapat dihitung melalui keseimbangan masa dan energi
adalah energi yang ditambahkan kedalam sistem dengan adanya regenerator
PENINGKATAN KINERJA AKIBAT REGENERATORPENINGKATAN KINERJA AKIBAT REGENERATOR
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 95
• menunjukkan bahwa generator tidak mempengaruhi kinerja turbin
• regenerator dapat memindahkan energi dari bagian luaran turbin ke bagian luaran kompresor sehingga kalor yang diperlukan untuk mencapai titik kerja asupan turbin berkurang qin berkurang
Efisiensi thermal siklus Brayton tanpa regenerator adalah :
Efisiensi thermal siklus Brayton dengan regenerator adalah :
SIKLUS BRAYTON AKTUALSIKLUS BRAYTON AKTUAL
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 96
Pada kenyataannya (kondisi aktual) kompresor atau turbine tidak bekerja pada kondisi isothermal atau isentropik terjadi irreversibility yang mempengaruhi efisiensi termal th
Siklus aktual digambarkan oleh garissedangkan siklus ideal oleh garis
Akibat friksi antara fluida dan pipa maka• terjadi pressure drop pada proses qin dan qout• terjadi kenaikan entropi selama proses
dilakukan oleh kompresor dan turbinpergeseran titik 2s ke 2a dan 4s ke 4a
qin
qout
Kerja turbin menurun dan kerja input kompresor meningkat
SIKLUS BRAYTON MULTISTAGESIKLUS BRAYTON MULTISTAGE
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 97
Efisiensi total = Efisiensi masing-masing bagian
qin,total = qin,A + qin,B
Worknet = Workout,A + Workout,B
Keuntungan utama : efisiensi tinggi dan rasio tekanan rendah pada siklus regenerator sehingga ukuran regenerator cukup kecil
Conventional Aircraft Engines
2/9/2011 I. B. Ardhana Putra 98