1. Pendahuluan
Siklus Otto merupakan dasar dari analisis termodinamika pada mesin bensin (spark ignition engine). Siklus ini pertama kali diperkenalkan oleh Nikolaus August Otto pada tahun 1876, yang kemudian menjadi landasan rancangan mesin pembakaran dalam. Untuk memahami kinerja mesin bensin, digunakan dua pendekatan, yaitu siklus Otto ideal dan siklus Otto aktual. Siklus ideal memberikan model teoretis yang disederhanakan, sedangkan siklus aktual menggambarkan kondisi nyata pada mesin dengan mempertimbangkan berbagai faktor kerugian.
2. Siklus Otto Ideal
Siklus Otto ideal dianalisis berdasarkan air-standard assumption, yaitu menganggap fluida kerja berupa udara murni yang berperilaku sebagai gas ideal. Siklus ini terdiri dari empat proses utama:
- Kompresi Isentropik (1–2)
Campuran udara-bahan bakar dikompresi secara adiabatik dan reversibel sehingga tekanan dan temperatur naik secara signifikan. - Pemasukan Panas Isokhorik (2–3)
Pada volume konstan, panas ditambahkan akibat proses pembakaran yang diasumsikan terjadi instan. Hal ini meningkatkan tekanan dan temperatur secara drastis. - Ekspansi Isentropik (3–4)
Gas panas mengembang secara adiabatik, mendorong piston untuk menghasilkan kerja mekanis. Proses ini menjadi sumber daya utama mesin. - Pembuangan Panas Isokhorik (4–1)
Pada volume konstan, panas dibuang sehingga tekanan dan temperatur menurun kembali ke kondisi awal.
Asumsi utama pada siklus Otto ideal antara lain:
- Gas kerja berupa udara murni.
- Proses kompresi dan ekspansi bersifat reversibel adiabatik.
- Pembakaran dan pembuangan panas terjadi instan pada volume konstan.
- Tidak ada rugi-rugi energi akibat gesekan, kebocoran, maupun perpindahan panas ke dinding silinder.
Efisiensi termal siklus Otto ideal dapat dihitung dengan persamaan:
η=1-1/r^(γ-1)
dengan:
- r = rasio kompresi,
- γ = rasio panas jenis (Cp/Cv).
3. Siklus Otto Aktual
Dalam kenyataannya, mesin bensin tidak dapat bekerja seideal model teoritis. Beberapa perbedaan utama adalah:
- Kompresi (1–2)
Tidak sepenuhnya isentropik karena terdapat gesekan piston, kebocoran, serta perpindahan panas ke dinding silinder. - Pembakaran (2–3)
Tidak terjadi instan pada volume konstan, melainkan berlangsung bertahap dengan keterlambatan pengapian (ignition delay). Tekanan maksimum yang dicapai lebih rendah dibanding teori. - Ekspansi (3–4)
Kehilangan energi akibat gesekan mekanis dan perpindahan panas ke dinding silinder menyebabkan ekspansi tidak sempurna. - Pembuangan (4–1)
Gas buang tidak sepenuhnya dilepaskan pada volume konstan. Sebagian gas sisa (residual gas) masih tertinggal di dalam silinder.
4. Faktor Penyebab Perbedaan Ideal dan Aktual
Beberapa faktor yang membuat siklus aktual berbeda dari siklus ideal, antara lain:
- Gesekan mekanis antara komponen bergerak.
- Perpindahan panas ke dinding silinder.
- Blowby akibat kebocoran pada ring piston atau katup.
- Pembakaran tidak sempurna, termasuk fenomena knocking.
- Pengaturan waktu katup (valve timing) yang menimbulkan overlapping antara katup masuk dan buang.
5. Perbandingan Siklus Otto Ideal dan Aktual
| Aspek | Siklus Otto Ideal | Siklus Otto Aktual |
|---|---|---|
| Kompresi & Ekspansi | Isentropik sempurna | Ada rugi gesekan & panas |
| Pembakaran | Instan, volume konstan | Bertahap, sebagian saat piston bergerak |
| Pembuangan panas | Volume konstan | Tidak sempurna, ada residual gas |
| Efisiensi | Lebih tinggi (teoretis) | Lebih rendah (praktis) |
| Representasi | Model analitis sederhana | Kondisi nyata mesin bensin |
5. Contoh Perhitungan Efisiensi Termal
Diketahui hasil uji mesin sebagai berikut:
- Daya indikator = 50 kW
- Konsumsi bahan bakar = 15 kg/jam
- Nilai kalor bahan bakar = 43 MJ/kg
- Rasio kompresi = 8 : 1
- γ=1,41
Tugas:
(a) Hitung efisiensi termal indikasi (ITE).
(b) Hitung efisiensi standar udara.
(c) Tentukan efisiensi relatif (RTE).
Langkah 1 – Hitung laju energi bahan bakar
Energi bahan bakar per jam:
Qf = ṁf × LHV = 15 × 43 = 645 MJ/jam
Konversi ke kW (1 MJ/jam = 1/3,6 kW):
Qf = 645 / 3,6 = 179,17 kW
Langkah 2 – Efisiensi Termal Indikasi (ITE)
ηI = Pi / Qf
ηI = 50 / 179,17 = 0,2791 = 27,91%
Langkah 3 – Efisiensi Standar Udara (ASE)
Rumus: ηOtto = 1 – 1 / r^(γ-1)
γ – 1 = 0,41
r^(γ-1) = 8^0,41 ≈ 2,344
ηOtto = 1 – 1/2,344 = 0,5737 = 57,37%
Langkah 4 – Efisiensi Relatif (RTE)
RTE = ηI / ηOtto
RTE = 0,2791 / 0,5737 = 0,486 ≈ 48,65%
Hasil Perhitungan:
- Efisiensi termal indikasi (ITE) = 27,91%
- Efisiensi standar udara (ASE) = 57,37%
- Efisiensi relatif (RTE) = 48,65%