在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動的活塞向右移動時，氣缸內(nèi)活塞左腔的壓力低于大氣壓力pa ，吸氣閥開啟，外界空氣吸入缸內(nèi)，這個過程稱為壓縮過程。當(dāng)缸內(nèi)壓力高于輸出空氣管道內(nèi)壓力p后，排氣閥打開。壓縮空氣送至輸氣管內(nèi)，這個過程稱為排氣過程。活塞的往復(fù)運(yùn)動是由電動機(jī)帶動的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)形成的。曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為滑動——活塞的往復(fù)運(yùn)動。
這種結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)在排氣過程結(jié)束時總有剩余容積存在。在下一次吸氣時，剩余容積內(nèi)的壓縮空氣會膨脹，從而減少了吸人的空氣量，降低了效率，增加了壓縮功。且由于剩余容積的存在，當(dāng)壓縮比增大時，溫度急劇升高。故當(dāng)輸出壓力較高時，應(yīng)采取分級壓縮。分級壓縮可降低排氣溫度，節(jié)省壓縮功，提高容積效率，增加壓縮氣體排氣量。
圖 1 為單級活塞式空壓機(jī)，常用于需要 0 . 3 — 0 . 7MPa 壓力范圍的系統(tǒng)。單級活塞式空壓機(jī)若壓力超過 0 . 6MPa ，各項(xiàng)性能指標(biāo)將急劇下降，故往往采用多級壓縮，以提高輸出壓力。為了提高效率，降低空氣溫度，需要進(jìn)行中間冷卻。圖 2 (a) 為二級壓縮的活塞式空壓機(jī)設(shè)備示意圖。如圖 2 (b) 所示，空氣經(jīng)低壓缸后壓力由 p 1 提高至 p 2 ，溫度由 T l 升至 T 2 ；然后流入中間冷卻器，在等壓下對冷卻水放熱，溫度降為 T l ；再經(jīng)高壓缸壓縮到所需要的壓力 p 3 。并由該圖可見，進(jìn)入低壓缸和高壓缸的空氣溫度 T l 和 T 2 ，位于同一等溫線 12 ′ 3 ′ 上，兩個壓縮過程 12 、 2 ′ 3 偏離等溫線不遠(yuǎn)。同一壓縮比 p 3 / p 1 的單級壓縮過程為 123 ″ ，比兩級壓縮偏離等溫線 12 ′ 3 ′ 遠(yuǎn)得多，即溫度要高許多。且單級壓縮消耗功相當(dāng)于圖中面積 613 ″ 46 ，兩級壓縮消耗功相當(dāng)于圖中面積 61256 和 52 ′ 345 之和，節(jié)省的功相當(dāng)于 2 ′ 23 ″ 32 ′ 。可見，分級壓縮可降低排氣溫度，節(jié)省壓縮功，提高效率。
活塞式空壓機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式。按氣缸的配置方式分有立式、臥式、角度式、對稱平衡式和對置式幾種。按壓縮級數(shù)可分為單級式、雙級式和多級式三種。按設(shè)置方式可分為移動式和固定式兩種。按控制方式可分為卸荷式和壓力開關(guān)式兩種。其中，卸荷式控制方式是指當(dāng)貯氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時，空壓機(jī)不停止運(yùn)轉(zhuǎn)而通過打開安全閥進(jìn)行不壓縮運(yùn)轉(zhuǎn)。這種空轉(zhuǎn)狀態(tài)稱為卸荷運(yùn)轉(zhuǎn)。而壓力開關(guān)式控制方式是指當(dāng)貯氣罐內(nèi)的壓力達(dá)到調(diào)定值時，空壓機(jī)自動停止運(yùn)轉(zhuǎn)。