活塞式发动机，又称往复式发动机，是一种利用一个或多个活塞将压力转化为旋转动能的发动机。活塞式发动机是一种依靠汽油和柴油等燃料提供动力的热机。活塞式发动机主要由气缸、活塞、连杆、曲轴、气门机构、螺旋桨减速器、齿轮箱等组成。
活塞式发动机简介
编辑最常用的往复式发动机使用汽油或柴油燃料来产生压力。通常有一个以上的活塞，每个活塞都在气缸内，向气缸内注入燃料-空气混合物，然后点火。热空气膨胀并向后推动活塞。活塞的直线运动通过连杆和曲轴转化为圆周运动。这种类型的发动机通常被称为内燃机，尽管内燃机不一定包括活塞。
目前，利用还不是很广泛，水蒸气是往复式发动机的另一种能源，称为蒸汽机。在这种情况下，使用非常高的蒸汽压力来驱动活塞。在大多数蒸汽能量利用中，活塞发动机已被效率更高的涡轮所取代，并且由于对更高扭矩的需求，活塞在汽车工业中的应用越来越多。
传统的四冲程往复活塞式发动机旋转两次，每个气缸完成进气、压缩、点火和排气过程。至于旋转式发动机，转子经历三个进气，压缩，点火和排气循环每转。旋转式发动机的转子与输出轴的传动比为3:1，因此旋转式发动机只需要转动一次。每个转子都要经历进气、压缩、点火、排气的过程，相当于一台往复式发动机运转两周。因此，小排量可以实现大功率输出的优势(但相对而言，在相同排量下，旋转式发动机的油耗要比往复式发动机高得多)。此外，由于旋转发动机的轴向运行特性，它不需要精确的曲轴平衡来实现非常高的运行速度。
多缸活塞发动机采用不同的布置形状，直接影响发动机的外观。图2显示了几种圆柱形排列。第一种形式是线性的，气缸排成一排，活塞上下往复运动。这种发动机结构简单，一般用在汽车上。第二种V型和第五种星型是航空中常用的。液冷发动机呈v形，而气冷发动机呈星形。此外，还有其他排列形状，如x形和h形。
活塞式发动机工作原理
编辑活塞顶部在曲轴旋转中心的最远位置称为上死点，最近位置称为下死点。从上死点到下死点的距离称为活塞行程。大多数活塞式飞机发动机是四冲程发动机，一个气缸完成一个工作循环。活塞在气缸中经过四个冲程，即进气冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程。
进气行程
当发动机开始工作时，首先进入“进气冲程”。气缸盖上的进气阀打开，排气阀关闭，活塞从上死点滑向下死点。气缸内的体积逐渐增大，空气压力降低——低于外部大气压力。因此，新鲜汽油和空气的混合物通过打开的进气阀被吸入气缸。混合气体中汽油与空气的比例一般为1:15，这意味着燃烧一公斤汽油需要15公斤空气。
压缩冲程
进气冲程完成后，第二个冲程，也称为压缩冲程，开始。在这一点上，曲轴继续旋转由于惯性，推动活塞从底部死点向上。此时，进气阀也像排气阀一样紧密关闭。气缸内的含量逐渐减少，混合气体被活塞强烈压缩。当活塞到达上止点时，混合气体在上止点与缸盖之间的狭小空间内被压缩。这个小空间被称为“燃烧室”。此时，混合气体的压力增加到10个大气压。气温也上升到400摄氏度左右。压缩是为了更好地利用汽油燃烧过程中产生的热量，大大增加限制在燃烧室狭窄空间内的混合气体的压力，以增加其燃烧后做功的能力。
当活塞处于下止点时，气缸内体积最大，而在上止点时，体积最小(后者也是燃烧室的体积)。混合气体的压缩程度可以用这两个体积的比值来测量。这个比率称为压缩比。活塞式航空发动机的压缩比约为5比8。压缩比越高，气体被压缩得越厉害，发动机产生的功率也就越大。
工作行程
压缩行程之后是“工作行程”，也是第三个行程。在压缩行程结束时，当活塞接近上死点时，气缸盖上的火花塞通过高压电产生电火花，点燃混合气体。燃烧时间很短，约0.015秒;但是速度非常快，达到每秒30米。随着压力的急剧增加，气体迅速膨胀，达到60到75个大气压。燃烧气体的温度范围从2000到2500摄氏度。燃烧时，局部温度可达三至四千度，气体对活塞的冲击力可达15吨。在强大的气体压力下，活塞迅速向死点移动，推动连杆向下。然后连杆带动曲轴转动。
这个冲程是唯一可以运行发动机并获得动力的冲程。其他三种泳姿都是为这个泳姿准备的。
排气冲程
第四冲程是排气冲程。工作行程完成后，由于惯性作用，曲轴继续转动，使活塞从下死点向上运动。此时进气阀仍处于关闭状态，排气阀大开，燃烧后的废气通过排气阀向外排放。当活塞到达上止点时，绝大部分废气已排出。然后排气阀关闭，进气阀打开，活塞从上止点向下运动，开始一个新的循环。
从新鲜混合气体的进气冲程到废气的排气冲程，汽油的热能转化为机械能，通过燃烧带动活塞运动，带动螺旋桨旋转做功。整个过程被称为“循环”。这是一个周期性的运动。由于它包含了从热能到机械能的转换，所以也被称为“热循环”。
活塞式航空发动机除了上述气缸、活塞、连杆、曲轴等部件外，还需要其他必要的装置和部件来完成四冲程工作。
活塞式发动机结构
编辑概述
汽缸是燃烧汽油和空气混合物的地方。汽缸里有一个来回运动的活塞。气缸盖装有一个电火花塞(通常称为喷嘴)来点燃混合物，以及进气和排气阀。发动机工作时，气缸温度很高，因此气缸外壁上有许多散热片，以扩大散热面积。汽缸在发动机机壳(变速箱)上的排列通常呈星形或v形。普通的星型发动机有5、7、9、14、18或24个汽缸。当单缸容积相同时，气缸越多，发动机功率越大。活塞在气压作用下在气缸内进行往复运动，通过连杆转化为曲轴的旋转运动。连杆用于连接活塞和曲轴。曲轴是发动机输出动力的一个部件。曲轴转动时，通过减速器带动螺旋桨转动，从而产生张力。此外，曲轴还带动一些附件(如各种油泵、发电机等)。气门机构用于控制进气门和排气门开启和关闭的时机。
机体是构成发动机的框架，是安装各种机构和系统的基础。它配备了发动机内外的所有主要部件和附件，可以承受各种负载。因此，车体必须具有足够的强度和刚度。车身总成主要由缸体、气缸套、缸盖、气缸垫片等部件组成。
气缸体
水冷发动机的缸体和上曲轴箱通常是铸造在一起的，称为缸体曲轴箱，又称缸体。缸体一般由灰口铸铁制成。缸体上半部分的圆柱腔称为气缸，下半部分是支撑曲轴的曲轴箱。内腔是曲轴运动的空间。缸体内部铸有许多加强筋、冷却水套和润滑油通道。
气缸体应有足够的强度和刚度。根据缸体的不同位置和油底壳的安装平面，通常将缸体分为以下三种形式。
(1)典型缸体的特点是油底壳的安装平面与曲轴旋转中心处于同一高度。该型缸体的优点是体高小、重量轻、结构紧凑、加工方便、曲轴拆装方便;但其缺点是刚度和强度较差。
(2)龙门缸体的特点是油底壳的安装平面低于曲轴的旋转中心。其优点是强度和刚度好，能承受较大的机械载荷;但缺点是工艺差，结构笨重，加工困难。
(3)曲轴主轴承孔以隧道缸体形式集成，采用滚动轴承。主轴承孔比较大，曲轴从气缸体后部安装。其优点是结构紧凑，刚度和强度好，但缺点是加工精度要求高，可加工性差，拆装曲轴不方便。
将气缸直接镗孔到缸体上称为实心气缸，具有良好的强度和刚度，可以承受较大的载荷。这种气缸对材料要求高，成本高。如果将气缸制造成单独的圆柱部件(即气缸套)，然后安装到气缸体内。这样，气缸套由耐磨的优质材料制成，缸体可由价格较低的一般材料制成，从而降低制造成本。同时气缸套可从气缸体上拆下，便于维护和更换，大大延长了气缸体的使用寿命。
缸套
有两种类型的气缸套:干式和湿式。
干式缸套的特点是，缸套插入缸体后，其外壁不直接接触冷却水，而是直接接触缸体的壁面。壁厚比较薄，一般为1-3mm。它具有整体缸体的优点，具有较好的强度和刚度，但加工相对复杂，内外表面都需要精密加工，拆卸不方便，散热性差。
湿式缸套的特点是，缸套插入缸体后，其外壁与冷却水直接接触。缸套只在上下各有一个与缸体接触的圆形环，壁厚一般为5-9mm。散热性好，散热均匀，加工方便。通常，只有内表面需要精密加工，而与水接触的外表面不需要加工，使其易于拆卸和组装。但缺点是强度和刚度不如干式缸套，而且容易漏水。应采取一些防泄漏措施。
辅助系统
编辑除了主要部件外，发动机还需要几个辅助系统协同工作。主要有进气系统、燃油系统、点火系统、冷却系统、起动系统、正时系统、散热系统等。
(1)进气系统:进气系统常装有涡轮增压器，以增加进气压力，提高高空性能。
(2)燃料系统:燃料系统由燃油泵、气化炉或燃油喷射能力组成。燃油泵将汽油压入气化炉，汽化后与气缸内的空气混合。
(3)点火系统:点火系统由磁电机产生高压电，在规定时间内产生电火花点燃气缸内的混合气体。
(4)冷却系统:发动机内燃料燃烧时产生的热量，不仅转化为动能和一部分被废气带走的内能，而且有很大一部分传递到缸壁和其他有关部件上。冷却系统的作用就是将这些热量散发出去，保证发电机的正常运行。
(5)起动系统:起动发动机需要外部动力。通常，电动测功机是用来驱动曲轴启动发动机的。
(6)正时系统:正时系统是曲轴带动凸轮轴推动连杆和摇臂，在固定时间开启和关闭进排气门的系统。
(7)冷却系统:为保证气缸内表面在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖进行适当的冷却。冷却方式有两种，一种是水冷却，另一种是风冷。水冷式发动机的缸体周围和缸盖内部加工有冷却水套，缸体与缸盖的冷却水套相连。冷却水在水套内不断循环，带走一部分热量，冷却汽缸和气缸盖。
现代汽车一般使用水冷式多缸发动机。对于多缸发动机来说，气缸的排列方式决定了发动机的外形尺寸和结构特征，也决定了发动机机体的刚度和强度，关系到汽车的整体布局。按气缸的排列方式，缸体也可分为单排、v形、对置三种。
1)直列式
发动机的各个气缸排成一排，通常是垂直排列的。单排缸体结构简单，易于加工，但发动机长度和高度都比较大。一般来说，六缸以下的发动机大多是单排的。例如，捷达汽车、富康汽车、红旗汽车的发动机都采用这种直列缸体。有些汽车将发动机倾斜一定角度以降低其高度。
2) v型
气缸按两排排列，且左右两排气缸中心线之间的夹角γ< 180°，称为v型发动机，与直列发动机相比，v型发动机缩短了机体的长度和高度，增加了缸体的刚度，减轻了发动机的重量，但增加了发动机的宽度，且形状复杂，加工难度大。一般用于8缸以上的发动机，6缸发动机也采用这种形式的缸体。
3)对置式
所述圆柱呈两排排列，左右圆柱在同一水平面上，即左右圆柱中心线夹角γ= 180°，称为对边。其特点是高度小，整体布置方便，有利于风冷。这种类型的气缸不太常用。
转子内燃引擎
编辑简要介绍
俗称旋转式发动机，又称三角旋转式活塞发动机，它是德国工程师菲利克斯·万克尔于1959年发明的一种四冲程内燃机，因此又称万克尔发动机。与传统的往复式活塞发动机不同，旋转发动机的工作部件(称为转子，其横截面形状类似于三角形)像输出轴一样轴向运行，不需要杠杆和凸轮结构来重新定向输出力，从而降低了运行过程中的能耗。
优点和缺点
旋转发动机的动力轴每转一圈运转一次，而典型的四冲程发动机每转两圈才运转一次。它的优点是它的高马力体积比(一个较小的发动机体积可以输出更多的功率)。此外，由于旋转发动机的轴向工作特性，它不需要精确的曲轴平衡来实现更高的工作速度。整个发动机只有两个旋转部件，与典型四冲程发动机的进气阀和排气阀等20多个运动部件相比，大大简化了结构，减少了故障的可能性。除了以上优点外，旋转发动机的优点还包括体积小、重量轻、重心低。
相反，由于旋转发动机的三个燃烧室不完全隔离，在使用一段时间后，容易因油封材料磨损而造成漏气，大大增加了油耗和污染。其独特的机械结构也给这种发动机的维护带来了困难。
虽然旋转发动机具有排量小、出力大、转速利用率高的特点，但由于其工作特性与往复式发动机不同，世界各国在制定有关发动机排量的税收法规时，都以旋转发动机的实际排量乘以2作为与往复式发动机比较的基准。例如，配备旋转发动机的马自达RX-8跑车的实际排量只有1308立方厘米，但在日本，它是根据2616立方厘米的税收水平计算的。
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