活塞式空压机的实际工作循环

（一）实际工作循环示功图

空压机实际工作中的示功图（p-V图）是用专门的示功仪（机械式和压电式）测绘出来的。图10-9所示为用示功仪测出的空压机实际工作循环示功图。该图反映出空压机在实际工作循环中，空气压力和容积变化情况。

图10-9 空压机实际工作循环示功图

从实际工作循环示功图可看出实际工作循环和理论工作循环的区别。

1.实际压缩过程

当活塞由内止点向外止点移动时，空气被压缩，容积逐渐缩小，压力不断升高，此时空气状态沿1′—2′曲线变化，而不是沿1—2曲线变化，这是受到在气缸内压缩时温度升高而产生热交换的影响造成的。当压力升至排气压力p2时，由于阀本身具有一定的惯性阻力和弹簧力，排气阀还不能被顶开，活塞还要继续压缩到2′点，当气缸内压力达到时，排气阀才被顶开。显然，图中压差-p2=Δp2（即压缩终了缸内空气压力与排气腔压力之差）用以克服排气阀上弹簧力及惯性力所需要的压力。

2.实际排气过程

排气阀一旦被打开，惯性阻力消失，故气缸内压缩空气压力下降，但仍需保持有一定的压差来克服弹簧力及气流通过气阀缝隙的阻力，以维持排气阀处于开启状态。由于活塞运动速度是变化的，致使排出气体的流速也不均匀，另外弹簧也有振动，因而造成排气腔气流脉动，所以实际排气过程的压力是波动的。

3.实际膨胀过程

当排气终了、活塞返回时，排气阀立即关闭。由于缸内残留的空气压力比吸气腔中的空气压力高，故吸气阀暂不打开。这部分高压空气随着活塞运动而膨胀，直至压力降到低于吸气腔的压力时，造成了一个压差Δp1=p1-，用来克服吸气阀惯性力及弹簧力，此时吸气阀才打开，开始进行吸气。

4.实际吸气过程

吸气阀打开后，惯性力便消失，压力差很快减少，但是吸气过程线始终低于大气压力线，原因是需保持一定的压差以克服弹簧力和吸气管、滤风器、减荷阀、吸气阀的阻力。吸气过程末期，由于活塞线速度减慢，气流速度也随之降低，于是缸内空气压力回升，直到压差减小到不能克服弹簧力时吸气阀立即关闭，吸气过程结束，下一个循环又重复进行。

（二）影响空压机实际工作循环的因素分析

1.余隙容积的影响

余隙容积是气缸排气终了时，剩余在气缸中的压缩空气所占有的容积。它是活塞处于气缸端部时，活塞与气缸盖之间的容积和气缸与气阀连接通道的容积所构成的。值得注意的是，气缸中必须留有余隙容积，以避免曲轴连杆机构工作中热膨胀伸长时，活塞撞击气缸盖而造成气缸损坏事故。

如果不考虑其他因素的影响，并假定吸气压力等于理论吸气压力（即大气压力）、排气压力等于理论排气压力（风包压力），余隙容积对空压机实际工作循环的影响如图10-10所示。

图10-10　有余隙容积示功图(www.xing528.com)

由于余隙容积的存在，当排气终止于4点时，仍有体积等于余隙容积V0的压缩空气存留于气缸中。当活塞由端点向回移动时，因气缸内剩余的高压气体压力大于吸气管中的空气压力，气缸不能立即进气，而是气缸内压力降低，即活塞从起点4点移动到1点时，才开始吸气。这样，活塞由点4至点1之间，余隙容积中的气体V0经过一个膨胀过程。因此，吸入气缸的空气体积不是气缸的工作容积Vg，而是Vs。显然，余隙容积的存在减少了空压机的排气量。

余隙容积对空压机排气量的影响，常用气缸的容积系数λV表示，它等于气缸的吸气容积Vs与气缸工作容积Vg之比，即λV=Vs/Vg。一般二级空压机的λV=0.82～0.92。

余隙容积的存在，使空压机实际吸入容积Vs小于活塞行程容积Vg，但因压缩余隙容积中残留气体所消耗的功在膨胀时可以收回来，所以在理论上余隙容积不影响空压机的耗功量。

2.吸、排气阻力的影响

在吸气过程中，外界大气需要克服滤风器、进气管道及吸气阀通道内的阻力后才能进入气缸内，所以实际吸气压力低于理论吸气压力；而在排气过程中，压气需克服排气阀通道、排气管道和排气管道上阀门等处的阻力后才能向风包排气，所以实际排气压力高于理论排气压力。

由于气阀阀片和弹簧的惯性作用，实际吸、排气线的起点出现尖峰；又由于吸、排气的周期性，气体流经吸、排气阀及通道时，所受阻力为脉动变化，因而实际吸、排气线呈波浪状。

如前所述，吸气终了压力低于理论吸气压力p1（如图10-9中的点1），所以欲使缸内压力由上升到p1，必须经过一段使吸气容积Vs缩小为的预压缩，因而使实际的吸气能力和排气能力下降。一般用压力系数λp来考虑吸气阻力对排气能力的影响，λp=/p1，一般取λp=0.95～0.98。

吸气压力的降低和排气压力的升高，使压缩相同质量空气的循环功增加，其增加部分等于图10-9中的阴影面积。

3.吸气温度的影响

在吸气过程中，由于吸入气缸的空气与缸内残留压气相混合，高温的缸壁和活塞对空气加热，以及克服流动阻力而损失的能量转换为热能等，吸气终了的空气温度T1高于理论吸气温度Ts（相当于吸气管外的空气温度），从而降低吸入空气的密度，减少了空压机以质量计算的排气量。吸气温度对排气量的影响，常以温度系数λt来考虑，λt=Ts/T1，一般λt=0.92～0.98。

吸气温度的升高，对压缩质量为M kg的空气所需的循环功也有影响。现将p1V1=MRT1代入式（10-10），则有

显然，W将随T1的增大而增大。通常温度升高3℃，功耗约增加1%。

4.漏气的影响

空压机的漏气主要发生在吸、排气阀，填料箱及气缸与活塞之间。气阀的漏气主要是由于阀片关闭不严和不及时而引起的，其余地方的漏气则大部分是由机械磨损所致。漏气使空压机无用功耗增加，也使实际排气量减少。考虑漏气使排气量减少的系数，叫作漏气系数，以λ1表示，一般取λ1=0.90～0.98。

5.空气湿度的影响

含有水蒸气的空气称为湿空气。自然界中的空气实际上都是湿空气，只是湿度大小不同而已。由湿空气性质知，在同温同压下，湿空气的密度小于干空气，且湿度越大，密度越小。和吸入干空气相比，空压机吸入空气的湿度越大，以质量计的排气量就越小。而且吸入的空气中所含的水蒸气，有一部分在冷却器、风包和管道中被冷却成凝结水而析出，这既减少了空压机的实际排气量，又浪费了功耗。考虑空气湿度使空压机排气量减少的系数，叫作湿度系数，以λφ表示，一般λφ为0.98左右。

综上所述，空压机实际工作循环要受余隙容积，吸、排气阻力，吸气温度，漏气和空气湿度等因素的影响。除余隙容积外，其余因素都将使空压机的循环功增加，且所有因素都使排气量减少。它们对排气量的影响可用排气系数λ表示，显然λ=λVλpλtλlλφ。

另外，在空压机工作过程中，因气体与气缸壁面间始终存在着温差，使气体在压缩初期，从高温缸壁获得热量，成为吸热压缩；待空气被压缩到一定程度后又向缸壁放热，成为放热压缩。故在压缩过程中，多变指数为一变数。实际压缩过程线与绝热压缩线有相交点K，1—K比绝热线陡，K—2比绝热线缓。