Mesin pembakaran dalam dan siklusnya: empat langkah, siklus Otto dan Diesel, rasio kompresi, efisiensi, daya dan torsi, dan konsumsi bahan bakar

Sebuah laundry yang melayani beberapa hotel memiliki dua mobil boks untuk mengantar linen. Mobil lama bermesin diesel dan sudah berumur delapan tahun; mobil baru bermesin bensin dengan kapasitas mesin yang hampir sama. Sopir mengatakan mobil bensin terasa lebih bertenaga saat menanjak dengan muatan penuh, tetapi tangkinya harus diisi jauh lebih sering. Sementara itu, mobil diesel mulai mengeluarkan asap hitam saat berakselerasi dan terasa kehilangan tenaga. Pemilik bertanya kepada teknisi: mana yang sebenarnya lebih efisien, mengapa berbeda, dan apa arti asap hitam itu?

Teknisi menjawab dengan membuka cara kerja mesin itu sendiri. Kedua mesin adalah mesin kalor yang mengubah panas pembakaran menjadi kerja, tetapi dengan siklus dan rasio kompresi yang berbeda. "Bertenaga" yang dirasakan sopir terkait torsi pada putaran tertentu dan rasio gigi, tidak langsung dengan efisiensi. Dan asap hitam pada diesel menunjuk campuran yang kekurangan udara, salah satunya karena saringan udara yang tersumbat. Bab ini menjelaskan konsep dan angka yang diperlukan untuk menjawab pertanyaan seperti itu.

Batas pembahasan

Bab ini membahas mesin pembakaran dalam dari sisi teknisi dan pengelola kendaraan: siklus empat langkah, siklus udara standar, rasio kompresi, efisiensi, daya, torsi, tekanan efektif rata-rata, konsumsi bahan bakar, campuran udara dan bahan bakar, dan neraca energi. Perbaikan mesin tidak dibahas dan mengikuti manual pabrik.

Kendaraan sebagai aliran energi ada di Bab 1 tentang sistem kendaraan sebagai aliran energi; baterai dan motor traksi di Bab 2; gaya, torsi, dan transmisi daya di Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika; hukum pertama dan kedua termodinamika di Bab 16 · Fisika dan Bab 17 · Fisika; gas ideal di Bab 15 · Fisika; stoikiometri di Bab 7 · Kimia tentang mol dan stoikiometri. Angka untuk mesin tertentu diambil dari manual pabrik; angka umum di bab ini adalah nilai umum.

Mesin pembakaran dalam sebagai mesin kalor

Mesin pembakaran dalam (internal combustion engine) adalah mesin yang membakar bahan bakar di dalam ruang bakarnya sendiri dan memakai gas hasil pembakaran yang panas dan bertekanan untuk mendorong torak. Bekerja dengan siklus terbuka adalah ciri semua mesin pembakaran dalam, karena udara segar masuk dan gas buang keluar setiap siklus. Mesin pembakaran luar mempunyai beberapa kelebihan dibanding mesin pembakaran dalam, tetapi mesin pembakaran dalam unggul dalam ukuran dan bobot untuk kendaraan.

Seperti semua mesin kalor di Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika, efisiensinya dibatasi hukum kedua termodinamika, dan efisiensi termal siklus daya tidak dapat 100 persen. Sebagian besar panas bahan bakar keluar sebagai gas buang dan panas pendingin, bukan sebagai kerja di poros.

Siklus empat langkah

Sebagian besar mesin kendaraan bekerja dengan empat langkah torak untuk setiap siklus, yaitu dua putaran poros engkol:

1. Isap: katup isap terbuka, torak turun, dan udara atau campuran udara dan bahan bakar masuk.
2. Kompresi: kedua katup tertutup, torak naik, dan isi silinder dimampatkan.
3. Usaha: campuran terbakar, tekanan naik tajam, dan gas mendorong torak turun; hanya langkah ini yang menghasilkan kerja.
4. Buang: katup buang terbuka, torak naik, dan gas buang didorong keluar.

Mesin dua langkah menyelesaikan siklus dalam satu putaran dengan saluran di dinding silinder; lebih ringan untuk dayanya tetapi umumnya lebih boros dan lebih kotor gas buangnya. Mesin empat langkah penyalaan busi yang nyata dapat dibandingkan dengan yang ideal, dan perbandingan itu menunjukkan bahwa siklus nyata membulatkan sudut-sudut siklus ideal karena katup membuka dan menutup bertahap dan pembakaran memerlukan waktu.

Siklus udara standar

Untuk menganalisis mesin secara sederhana, siklus nyata diganti siklus ideal yang memakai udara sebagai gas ideal, dengan pembakaran diganti penambahan panas dan pembuangan gas diganti pelepasan panas. Cara menganalisis siklus ini dikenal sebagai metode udara standar (air-standard method), dan siklus Otto yang dihasilkan dari anggapan udara standar disebut siklus Otto ideal. Anggapan gas ideal di Bab 15 · Fisika tentang gas ideal dan teori kinetik dipakai di sini.

Siklus udara standar tidak memberi efisiensi nyata, tetapi menunjukkan arah: apa yang menaikkan efisiensi, mengapa mesin diesel memakai rasio kompresi tinggi, dan mengapa ada batasnya.

Siklus Otto

Siklus Otto (Otto cycle) adalah model mesin penyalaan busi. Udara dalam siklus Otto dimampatkan secara isentropik, dan terjadi kenaikan tekanan yang besar selama penambahan panas, karena panas ditambahkan pada volume tetap. Siklus ini digambarkan pada diagram tekanan-volume dan suhu-entropi.

Efisiensi termal siklus Otto ideal hanya bergantung pada rasio kompresi $r$ dan perbandingan kalor jenis $\gamma$, sekitar 1,4 untuk udara:

dengan $\eta_{\text{Otto}}$ efisiensi termal ideal sebagai pecahan, sedangkan $r$ dan $\gamma$ tidak bersatuan. Rasio kompresi yang lebih tinggi menaikkan efisiensi, tetapi dengan hasil yang makin kecil.

Siklus Diesel dan siklus ganda

Pada mesin diesel, hanya udara yang dimampatkan sampai sangat panas, lalu bahan bakar disemprotkan dan menyala sendiri. Siklus Diesel (Diesel cycle) adalah model ideal mesin itu: panas ditambahkan pada tekanan tetap selama torak mulai turun. Inilah satu-satunya proses tempat siklus Otto dan Diesel berbeda. Siklus ganda (dual cycle) adalah gabungan siklus Otto dan Diesel, dan siklus pembakaran ganda lebih cocok untuk mesin penyalaan kompresi modern berkecepatan tinggi; untuk truk dan bus besar hampir selalu dipakai mesin diesel.

Efisiensi siklus Diesel ideal bergantung juga pada rasio penghentian $r_c$. Rasio penghentian (cutoff ratio) adalah perbandingan volume di akhir dan di awal penambahan panas.

Pada rasio kompresi yang sama, siklus Diesel kurang efisien dari siklus Otto. Kelebihan mesin diesel datang dari rasio kompresinya yang jauh lebih tinggi, sekitar 15 sampai 22 dibanding sekitar 9 sampai 12 untuk mesin bensin, dan dari tidak adanya katup gas yang menghambat udara pada beban rendah.

Rasio kompresi dan batas ketukan

Rasio kompresi (compression ratio) adalah perbandingan volume silinder saat torak di titik terbawah dengan volume saat torak di titik teratas:

dengan $V_d$ volume langkah satu silinder dan $V_c$ volume ruang bakar, keduanya dalam satuan yang sama (misalnya cm³), sehingga $r$ tidak bersatuan. Pada mesin penyalaan busi yang nyata, batas atas rasio kompresi dibatasi suhu penyalaan sendiri bahan bakar untuk menghindari ketukan. Ketukan (knock) adalah meledaknya campuran dengan sendirinya sebelum atau bersamaan dengan nyala dari busi. Ketukan merusak torak dan cincin, sehingga mesin bensin memakai bahan bakar dengan angka oktan yang sesuai dan pengendali yang memundurkan saat pengapian bila ketukan terdeteksi.

Pada mesin diesel, rasio kompresi tinggi justru diperlukan supaya udara cukup panas untuk menyalakan bahan bakar.

Daya, torsi, dan putaran

Daya di poros adalah torsi kali kecepatan sudut, seperti di Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya:

dengan $P$ daya (W), $n$ putaran per detik, dan $T$ torsi (N·m). Mesin menghasilkan torsi terbesar pada rentang putaran tertentu dan daya terbesar pada putaran yang lebih tinggi. Yang dirasakan sopir sebagai "bertenaga" saat menanjak adalah gaya dorong di roda, yaitu torsi mesin dikalikan rasio gigi dan dibagi jari-jari roda, sehingga dipengaruhi transmisi. Karena itu mobil bensin pada kasus pembuka dapat terasa lebih bertenaga walaupun lebih boros: rasa bertenaga datang dari torsi dan rasio gigi, sedangkan boros atau tidaknya dibaca dari efisiensi dan konsumsi bahan bakar spesifik.

Tekanan efektif rata-rata (mean effective pressure) adalah tekanan tetap khayal yang, bila bekerja selama langkah usaha, menghasilkan kerja yang sama dengan siklus nyata. Untuk mesin empat langkah dengan volume langkah total $V_d$:

dengan $p_{\text{me}}$ tekanan efektif rata-rata (Pa), $V_d$ dalam m³, dan $n$ putaran per detik. Faktor dua muncul karena satu siklus memerlukan dua putaran. Tekanan efektif rata-rata memungkinkan membandingkan mesin berukuran berbeda. Mesin bensin modern berukuran kecil dengan turbo dapat mencapai tekanan efektif rata-rata setinggi mesin diesel, sedangkan mesin bensin tanpa turbo biasanya lebih rendah. Kurva torsi dan daya terhadap putaran dari pabrik menunjukkan rentang putaran tempat mesin paling efisien; mengemudi pada rentang itu dengan gigi yang sesuai, tidak terlalu rendah dan tidak terlalu tinggi, menghemat bahan bakar.

Efisiensi nyata dan konsumsi bahan bakar spesifik

Efisiensi nyata mesin adalah daya poros dibagi laju energi bahan bakar:

dengan $P$ daya poros (W), $\dot{m}_f$ laju massa bahan bakar (kg/s), dan $H$ nilai kalor bawah bahan bakar (J/kg), sekitar 42 sampai 43 MJ/kg untuk solar dan sekitar 43 sampai 44 MJ/kg untuk bensin. Konsumsi bahan bakar spesifik (specific fuel consumption) adalah massa bahan bakar per energi poros, dalam g/kWh. Untuk nilai kalor yang sama, keduanya adalah dua cara menulis hal yang sama: makin tinggi efisiensi, makin kecil massa bahan bakar untuk setiap kWh kerja poros. Efisiensi nyata yang terbaik berada sekitar 30 sampai 40 persen untuk mesin bensin dan sekitar 35 sampai 45 persen untuk mesin diesel pada beban yang menguntungkan, dan jauh lebih rendah pada beban ringan dan saat diam.

Konsumsi per kilometer di jalan bergantung juga pada bobot, kecepatan, kemacetan, waktu diam, dan cara mengemudi, sehingga perbandingan dua kendaraan dilakukan pada rute dan muatan yang sama.

Perbandingan udara dan bahan bakar

Pembakaran sempurna memerlukan udara dalam jumlah tertentu untuk setiap kilogram bahan bakar, dihitung dengan stoikiometri seperti di Bab 7 · Kimia tentang mol dan stoikiometri. Untuk bensin, perbandingan massa stoikiometrik sekitar 14,7 berbanding 1, dan untuk solar sekitar 14,5 berbanding 1.

Pembakaran sempurna (complete combustion) berarti seluruh massa bahan bakar teroksidasi dan tidak diperlukan udara lagi, sedangkan pembakaran ramping pada dasarnya membakar bahan bakar dengan udara berlebih.

Mesin bensin modern bekerja dekat perbandingan stoikiometrik supaya pengubah katalitik bekerja. Mesin diesel selalu bekerja dengan udara berlebih; dayanya diatur dengan banyaknya bahan bakar. Bila udara berkurang, misalnya karena saringan udara tersumbat, turbo yang lemah, atau bahan bakar berlebih, sebagian bahan bakar tidak terbakar sempurna dan keluar sebagai jelaga, yaitu asap hitam. Asap hitam dan tenaga yang hilang pada mobil diesel di kasus pembuka karena itu lebih dulu menunjuk udara yang kurang, seperti saringan udara yang tersumbat pada Contoh 6, sebelum mutu solar dicurigai.

Neraca energi mesin

Dari energi bahan bakar yang masuk, kira-kira sepertiga keluar sebagai kerja poros pada kondisi terbaik, sekitar sepertiga lewat gas buang, dan sisanya ke air pendingin, oli, dan sekitar. Gas buang mesin pembakaran dalam dapat didinginkan dalam proses perpindahan panas, dan itulah dasar pemulihan panas gas buang pada sistem pembangkit kecil. Kendaraan sebagai aliran energi dari tangki sampai roda dibahas di Bab 1 tentang sistem kendaraan sebagai aliran energi.

Perawatan yang memengaruhi efisiensi

Banyak penurunan efisiensi di lapangan berasal dari perawatan, tidak dari rancangan mesin:

1. Saringan udara: saringan yang tersumbat mengurangi udara, menurunkan daya, dan pada diesel menimbulkan jelaga.
2. Oli dan kekentalannya: oli yang terlalu kental atau sudah rusak menambah gesekan dalam; jenis dan selang penggantian mengikuti manual pabrik.
3. Injektor dan busi: injektor yang menetes atau semprotannya tidak rata, dan busi yang aus, membuat pembakaran tidak sempurna.
4. Suhu kerja: mesin yang terlalu dingin karena termostat macet terbuka membakar tidak sempurna dan lebih boros; mesin yang terlalu panas berisiko ketukan dan kerusakan.
5. Waktu diam: mesin yang dibiarkan menyala saat menunggu bongkar muat memakai bahan bakar tanpa menghasilkan kerja; untuk kendaraan pengantar dengan banyak titik berhenti, waktu diam dapat menjadi bagian besar dari pemakaian.
6. Muatan dan tekanan ban: tidak mengubah efisiensi mesin, tetapi menambah energi yang harus diberikan mesin per kilometer.

Catatan pengisian bahan bakar dan kilometer setiap kendaraan, dihitung per minggu, memperlihatkan penurunan yang perlahan lebih cepat dari keluhan sopir. Kenaikan konsumsi yang mendadak pada satu kendaraan menunjuk masalah pada kendaraan itu; kenaikan pada semua kendaraan sekaligus lebih sering menunjuk perubahan rute, muatan, atau mutu bahan bakar.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: efisiensi Diesel ideal. Untuk $r = 17$ dan $r_c = 2$, $1/17^{0{,}4} = 0{,}322$ dan $(2^{1{,}4} - 1)/(1{,}4 \times 1) = (2{,}639 - 1)/1{,}4 = 1{,}171$, sehingga $\eta = 1 - 0{,}322 \times 1{,}171 = 0{,}62$. Siklus Otto pada $r = 17$ akan memberi $1 - 0{,}322 = 0{,}68$, tetapi mesin bensin tidak dapat memakai rasio setinggi itu karena ketukan.

Contoh 2: daya dari torsi. Mesin memberi torsi 250 N·m pada 2.000 putaran per menit, yaitu 33,3 per detik. $P = 2\pi \times 33{,}3 \times 250 = 52.300$ W, sekitar 52 kW.

Contoh 3: tekanan efektif rata-rata. Mesin empat langkah 2,5 L memberi 52,3 kW pada 33,3 putaran per detik. $p_{\text{me}} = 2P/(V_d\, n) = 2 \times 52.300/(0{,}0025 \times 33{,}3) = 1{,}26 \times 10^6$ Pa, sekitar 12,6 bar.

Contoh 4: efisiensi nyata dan konsumsi spesifik. Mesin itu memakai 12 kg solar per jam pada keadaan Contoh 2, yaitu 0,00333 kg/s. Laju energi bahan bakar $0{,}00333 \times 42{,}5 \times 10^6 = 141.700$ W. $\eta = 52.300/141.700 = 0{,}37$, dan konsumsi spesifik $12.000/52{,}3 = 229$ g/kWh.

Contoh 5: konsumsi per hari. Rute pengantaran 120 km per hari. Mobil diesel menempuh sekitar 10 km per liter dan mobil bensin sekitar 8 km per liter pada rute yang sama. Pemakaian harian sekitar 12 L solar dan 15 L bensin; perbandingan biaya memerlukan harga setempat dan perawatan, tidak hanya liter.

Contoh 6: udara untuk pembakaran. Pada 12 kg solar per jam dengan perbandingan udara dan bahan bakar keseluruhan 25 berbanding 1 (udara berlebih), mesin memerlukan 300 kg udara per jam, sekitar $300/1{,}2 = 250$ m³ per jam. Saringan udara yang tersumbat dan mengurangi udara menjadi 200 kg per jam menurunkan perbandingan menjadi sekitar 17 berbanding 1 pada bahan bakar yang sama, mendekati batas jelaga.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan bengkel resmi atau penyelia bila:

1. Mesin dihidupkan di ruang tertutup tanpa pembuangan gas buang, karena gas buang mengandung karbon monoksida.
2. Ada kebocoran bahan bakar, bau bensin yang kuat, atau tetesan di dekat knalpot dan bagian panas.
3. Mesin berketuk terus, berasap putih tebal, atau suhu pendingin naik terus, tetapi kendaraan tetap dipakai.
4. Pekerjaan pada mesin memerlukan pembongkaran atau penyetelan yang hanya diatur manual pabrik.
5. Radiator atau sistem pendingin yang panas dan bertekanan akan dibuka.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 tentang sistem kendaraan sebagai aliran energi memberi aliran energi dari tangki sampai roda, dan Bab 2 tentang baterai, motor traksi, pengereman, dan keselamatan tegangan tinggi memberi pembanding penggerak listrik. Bab 1 · Mekanikal & Mekatronika tentang gaya, torsi, putaran, dan transmisi daya memberi hubungan torsi dan daya. Bab 16 · Fisika tentang hukum pertama termodinamika dan Bab 17 · Fisika tentang hukum kedua termodinamika memberi dasar mesin kalor, Bab 15 · Fisika tentang gas ideal memberi anggapan siklus udara standar, dan Bab 7 · Kimia tentang mol dan stoikiometri memberi perbandingan udara dan bahan bakar. Bab berikutnya di rak ini, Bab 4, membahas sistem bahan bakar, pengapian, dan pengendali mesin.

Latihan dan pembahasan