Mesin Konversi Energi
Energi adalah kemampuan untuk melakukan usaha. Energi bersifat abstrak yang
sukar dibuktikan tetapi dapat dirasakan adanya. Menurut hukum Termodinamika
Pertama, energi bersifat kekal. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dimusnakan, tetapi dapat berubah bentuk (konversi) dari bentuk energi yang satu
ke bentuk energi yang lain.Sebagai contoh pada proses pembakaran pada mesin
mobil/motor (sistem motor pembakaran dalam), bensin satu liter dikonversi
menjadi kerja yang berhasil guna tinggi, yakni menjadi energi gerak/mekanik
pada mobil/motor,sehingga dapat memindahkan manusia/barang dari suatu
tempat ke tempat lain. Dalam hal ini bensin satu liter memiliki energi dalam yang
siap dirubah menjadi kerja yang berguna.
Macam-Macam Energi
a. Energi Mekanik
Energi meknik merupakan energi gerak, misal turbin air akan mengubah energi
potensial menjadi energi mekanik untuk memutar generator listrik.
b. Energi Potensial
Merupakan energi karena posisinya di tempat yang tinggi. Contohnya air waduk
di pegunungan dapat dikonversi menjadi energi mekanik untuk memutar turbin,
selanjutnya dikonversi lagi menjadi energi listrik
c. Energi Listrik
Energi Listrik adalah energi yang berkaitan dengan arus elektron,dinyatakan
dalam watt-jam atau kilo watt-jam. Arus listrik akan mengalir bila penghantar
listrik dilewatkan pada medan magnet. Bentuk transisinya adalah aliran elektron
melalui konduktor jenis tertentu. Energi listrik dapat disimpan sebagai energi
medan elektrostatis yang merupakan energi yang berkaitan dengan medan listrik
yang dihasilkan oleh terakumulasinya muatan elektron pada pelat-pelat
kapasitor.
d. Energi Elektromagnetik
Energi elektromagnetik merupakan bentuk energi yang berkaitan dengan radiasi
elektromagnetik. Energi radiasi dinyatakan dalam satuan energi yang sangat
kecil, yakni elektron volt (eV) atau mega elektron volt(MeV), yang juga digunakan
dalam evaluasi energi nuklir.
e. Energi Kimia
Energi kimia merupakan energi yang keluar sebagai hasil interaksi elektrondi
mana dua atau lebih atom/molekul berkombinasi sehingga menghasilkan
senyawa kimia yang stabil. Energi kimia hanya dapat terjadi dalam bentuk energi
tersimpan. Bila energi dilepas dalam suatu reaksi maka reaksinya disebut reaksi
eksotermis yang dinyatakan dalam kJ,Btu, atau kkal. Bila dalam reaksi kimia
energinya terserap maka disebut dengan reaksi endodermis. Sumber energi
bahan bakar yang sangat penting bagi manusia adalah reaksi kimia eksotermis
yang pada umumnya disebut reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran
melibatkan oksidasi daribahan bakar fosil
f. Energi Nuklir
Energi nuklir adalah energi dalam bentuk energi tersimpan yang dapat dilepas
akibat interaksi partikel dengan atau di dalam inti atom. Energi ini dilepas
sebagai hasil usaha partikel-partikel untuk memperoleh kondisi yang lebih stabil.
Satuan yang digunakan adalah juta elektron reaksi. Pada reaksi nuklir dapat
terjadi peluruhan radioaktif, fisi, dan fusi.
g. Energi Termal
Energi termal merupakan bentuk energi dasar di mana dalam kata lain adalah
semua energi yang dapat dikonversikan secara penuh menjadi energi panas.
Sebaliknya, pengonversian dari energi termal ke energi lain dibatasi oleh hukum
Termodinamika II. Bentuk energi transisi dan energi termal adalah energi panas,
dapat pula dalam bentuk energi tersimpan sebagai kalor ”laten” atau kalor
”sensible” yang berupa entalpi
h. Energi Angin
Energi angin merupakan energi yang tidak akan habis, material utama berupa
angin dengan kecepatan tertentu yang mengenai turbin angin sehingga menjadi
gerak mekanik dan listrik.
Klasifikasi Mesin-Mesin Konversi Energi
Mesin-mesin konversi energi secara sederhana dapat diklasifikasikan menjadi
dua, yaitu mesin konversi energi konvensional, dan mesin energi konversinonkonvensional. Mesin konversi energi konvensional umumnya menggunakan
sumber energi konvensional yang tidak terbarui, kecuali turbin hidropower, dan
umumnya dapat diklasifikasikan menjadi motor pembakaran dalam, motor
pembakaran luar, mesin-mesin fluida, serta mesin pendingin dan pengkondisian
udara. Mesin konversi energi non-konvensial umumya menggunakan energi
yang dapat diperbarui, kecuali mesin energi konvensi berbahan dasar nuklir.
Motor Pembakaran Dalam
Motor pembakaran dalam dikembangkan oleh Motos Otto, atau Beaude Roches
merupakan mesin pengonvesi energi tak langsung, yaitudari energi bahan bakar menjadi energi panas dan kemudian baru menjadi energi mekanis. Energi kimia
bahan bakar tidak dikonversikan langsung menjadi energi mekanis. Bahan bakar
standar motor bensin adalah iso oktan (C8H18. Efisiensi pengonversian
energinya berkisar 30% (ηt± 30%). Hal ini karena rugi-rugi: 50% rugi panas,
gesek/mekanis, dan pembakaran tak sempurna.
Sistem siklus kerja motor bensin
dibedakan atas motor bensin dua langkah (two stroke), dan empat langkah (four
stroke).
Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin penggerak yang banyak dipakai
dengan memanfaatkan energi kalor dari proses pembakaran menjadi energi
mekanik. Motor bakar merupakan salah satu jenis mesin kalor yang proses
pembakarannya terjadi dalam motor bakar itu sendiri sehingga gas pembakaran
yang terjadi sekaligus sebagai fluida kerjanya. Mesin yang bekerja dengan cara
seperti tersebut disebut mesin pembakaran dalam.
Adapun mesin kalor yang
cara memperoleh energi dengan proses pembakaran di luar disebut mesin
pembakaran luar. Sebagai contoh mesin uap, dimana energi kalor diperoleh dari
pembakaran luar, kemudian dipindahkan ke fluida kerja melalui dinding pemisah.
Keuntungan dari mesin pembakaran dalam dibandingkan dengan mesin
pembakaran luar adalah kontruksinya lebih sederhana, tidak memerlukan fluida
kerja yang banyak dan efesiensi totalnya lebih tinggi. Sedangkan mesin
pembakaran luar keuntungannya adalah bahan bakar yang digunakan lebih
beragam, mulai dari bahan bakar padat sampai bahan-bakar gas, sehingga
mesin pembakaran luar banyak dipakai untuk keluaran daya yang besar dengan
banan bakar murah.
Pembangkit tenaga listrik banyak menggunakan mesin uap.
Untuk kendaran transpot mesin uap tidak banyak dipakai dengan pertimbangan
kontruksinya yang besar dan memerlukan fluida kerja yang banyak.
1. Sejarah Motor Bakar
Sejarah motor bakar mengalami perkembangan yang menggembirakan sejak
tahun 1864. Pada tahun tersebut Lenoir mengembangkan mesin pembakaran
dalam tanpa proses kompresi. Campuran bahan bakar dihisap masuk silinder
dan dinyalakan sehingga tekanan naik, selanjutnya gas pembakaran berekspansi
yang mendorong piston, langkah berikutnya gas pembakaran dibuang. Piston
kembali bergerak menghisap campuran bahan bakar udara dengan
menggunakan energi yang tersimpan dalam roda gila. Mesin Lenoir pada tahun
1865 diproduksi sebanyak 500 buah dengan daya 1,5 hp pada putaran 100 rpm.
Mesin berikutnya yang lebih efesien dari mesin Lenoir adalah Otto langen
engine.
Mesin ini terdiri dari piston yang tidak dihubungkan dengan poros engkol,
tetapi piston bergerak bebas secara vertikal pada proses ledakan dan tenaga.
Setelah itu, secara gravitasi piston bergerak turun dan terhubung dengan gigi
pinion diteruskan ke roda gila. Selanjutnya energi yang tersimpan dalam roda
gila digunakan oleh piston untuk energi langkah isap. Pada langkah isap
campuran bahan bakar udara masuk silider untuk pembakaran
Motor bensin 2 langkah
adalah motor bensin
dimana untuk
melakukan suatu kerja
diperlukan 2 langkah
gerakan piston atau 1
kali putaran poros
engkol. Siklus kerja
Siklus motor bensin 4 langkah
Motor bensin empat langkah adalah motor yang pada setiap empat langkah
torak/torak (dua putaran engkol) menghasilkan satu tenaga kerja (satu langkah
kerja). Berikut ini disajikan cara kerja dari motor bensin 4 langkah:
1. Langkah isap
Pada saat langkah isap, katup masuk terbuka dan katup
buang tertutup. Torak bergerak dari TMA (titik mati atas)
dan berakhir di TMB (titik mati bawah). Gerakan torak
mengakibatkan pembesaran volume silinder, maka
menyebabkan kevakuman yang terjadi didalam silinder
dan akan mengakibatkan masuknya campuran bahan
bakar dan udara ke dalam silinder.
2. Langkah Kompresi
Pada langkah kompresi. Kedua katup tertutup dan
campuran di dalam silinder dikompresikan sehingga
tekanan dan temperatur naik. Sesaat sebelum akhir
langkah kompresi, busi meletikkan bunga api untuk
membakar gas akibatnya tekanan gas dalam silinder
naik dengan cepat.
3. Langkah usaha/kerja
Pada langkah usaha atau kerja, torak bergerak
dari titik mati atas menuju titik mati bawah. Kedua
katup dalam posisi tertutup. Gas bertekanan tinggi
hasil dari terjadinya proses pembakaran menekan
torak bergerak turun dan memaksa engkol
berputar. Oleh karena itu maka langkah ini disebut
langkah usaha atau langkah kerja.
4. Langkah buang
Langkah terakhir dari siklus 4 langkah adalah
langkah pembuangan, terjadi ketika torak bergerak
dari TMB ke TMA, katup buang terbuka dan katup
masuk tertutup. Gas sisa pembakaran akan
terdorong torak bergerak keluar. Bila torak mencapai
titik mati atas, maka mulailah siklus baru lagi yang
dimulai dengan langkah pemasukan atau
pengisapan.
Gambar selengkapnya dari siklus kerja motor 4
langkah bisa dilihat di gambar dibawah ini
Diagram PV motor bensin 4 langkah
Proses termodinamika dan kimia yang terjadi di dalam motor bakar torak
amat kompleks untuk dianalisis menurut teori. Untuk memudahkan analisis
tersebut kita perlu membayangkan suatu keadaan yang ideal. Makin ideal suatu
keadaan makin mudah dianalisis, akan tetapi dengan sendirinya makin jauh
menyimpang dari keadaan yang sebenarnya. Pada umumnya untuk
menganalisa motor bakar dipergunakan siklus udara sebagai siklus ideal. Siklus ideal volume kostan ini adalah siklus untuk mesin otto. Siklus volume konstan
sering disebut dengan siklus ledakan explostion cycle) karena secara teoritis
proses pembakaran terjadi sangat cepat dan menyebabkan peningkatan
tekanan yang tiba-tiba. Penyalaan untuk proses pembakaran dibantu dengan
loncatan bunga api. Nikolaus August Otto menggunakan siklus ini untuk
membuat mesin sehingga siklus ini sering disebut dengan siklus otto.
Proses sebenarnya amat komplek, sehingga analisa dilakukan pada kondisi ideal
dengan fluida kerja udara.
Idealisasi proses tersebut sebagai berikut :
a. Fluida kerja dari awal proses hingga akhir proses.
b. Panas jenis dianggap konstan meskipun terjadi perubahan temperatur pada
udara.
c. Proses kompresi dan ekspansi berlangsung secara adiabatik, tidak terjadi
perpindahan panas antara gas dan dinding silinder.
d. Sifat-sifat kimia fluida kerja tidak berubah selama siklus berlangsung.
e. Motor 2 (dua) langkah mempunyai siklus termodinamika yang sama dengan
motor 4 (empat) langkah.
Siklus udara dengan Volume Tetap
Proses ini sering kita
sebut proses OTTO yaitu
proses yang terdapat
pada motor bensin 4
langkah, siklus ini dapar
digambarkan dengan
grafik P VS V (P versus V)
Pada waktu torak bergerak ke kanan, udara bercampur bahan bakar masuk ke
dalam silinder. Karena torak dalam keadaan bergerak, maka tekanannya turun
sehingga lebih kecil daripada tekanan udara luar, begitu juga suhunya. Garis
langkah isap dapat dilihat pada diagram indikator pada gambar. Penurunan
tekanan ini tergantung pada kecepatan aliran.
Pada motor yang tidak
menggunakan Supercharger tekanan terletak diantara 0,85 – 0,9, terhadap
tekanan udara luar(kevakuman).
1 – 2 :Langkah kompresi. Kompresinya teoritis berjalan adiabatis.
2 – 3 :Langkah pembakaran. Pembakarannya terjadi pada volume tetap,
sehingga suhu naik.
3 – 4 :Langkah pemuaian, sering disebut langkah kerja. Pemuaian ini juga
berjalan adiabatis.
Pada langkah ini, suhu turun dari T3 menjadi T4 yang selanjutnya gas tersebut
dibuang sebagai gas buang dengan suhu T4. Pembuangan terjadi pada langkah
4 – 0.
Karena udara yang masuk mempunyai suhu T1 dan volume V1 maka seolah-olah
terjadi pendinginan pada volume tetap dari T4 – T1.
T1 = Suhu udara luar dalam °C
V1 – V2 = Volume udara yang diisap tiap putaran
��
��
= � ��� ������� ������������ ��������
Tekanan yang tertinggi pada proses ini = P3, sedangkan suhu yang tertinggi = T3.
Kedua harga ini erat sekali hubungannya dengan bahan dari silinder dan
pengisap.
Untuk mencapai rendemen teoritis (thermis), maka kerja teoritis diagram
indikator ini disederhanakan menjadi:
�� = ������ ����� ���� ����������
�� = ������ ����� ���� �����������
�� = �. ��(�� − ��)
�� = �. ��(�� − ��)
� = ����� ��� ���� ������������ (��)
�� = ����� ����� ���� ������ �����
Siklus tekanan tetap
Proses ini terjadi pada motor diésel 4 langkah dengan putaran rendah. Pada
motor yang diisap bukan campuran udara dengan bahan bakar melainkan hanya
udara. Sesaat sebelum akhir kompresi disemprotkan bahan bakar dalam bentuk
kabut ke dalam silinder. Bahan bakar ini terbakar karena suhu dari udara yang
tinggi. Suhu yang tinggi dari udara diperoleh karena adanya kompresi adiabatis.
Ketika bahan bakar disemprotkan. Memperoleh suhu yang tinggi dari titik nyala
bahan bakar tersebut.
Supaya bahan bakar dan udara dapat
bercampur secara homogen, maka
gerakan udara di dalam silinder harus
merupakan aliran turbulen. Pada motor
diésel harga perbandingan kompresi lebih
besar daripada motor bensin.
Pembakarannya terjadi pada tekanan
tetap.
0 – 1 : Pengisapan
1 – 2 : Pemampatan adiabatis
2 – 3 : Pembakaran pada tekanan tetap
3 – 4 : Langkah kerja
4 – 0 : Langkah pembuangan.
(Keterangan mengenai langkah ini, sama seperti pada motor
bensin)
P2 + P3 : Tekanan tinggi
T3 : Suhu tinggi
Panas masuk terjadi pada perubahan dari
T2-T3
Harga య
మ
= � disebut pengisian.
Suhu gas buang = T4,
sedang suhu udara yang masuk = T1 = suhu
udara luar
Tidak ada komentar:
Posting Komentar