往复式内燃机

概念定义

往复式内燃机（Reciprocating internal combustion engine）是一种利用活塞在气缸内往复运动，将燃料燃烧释放的热能转化为机械能的内燃机。汽车常用的汽油机和柴油机均属于这一类型。燃烧气体同时充当工作介质，其膨胀压力推动活塞，再由曲柄连杆机构把活塞的直线运动转换成曲轴的旋转运动，最终以扭矩形式对外做功。

工作原理

往复式内燃机先让燃料与空气参与燃烧，使燃料的化学能转化为热能。气缸内的气体受热膨胀并产生较高压力，推动活塞在上止点与下止点之间运动。活塞通过连杆带动曲轴旋转，从而输出机械能。完成做功后，燃烧过的气体被排出，新鲜气体进入气缸，形成不断重复的开式工作循环。

四冲程发动机以进气、压缩、做功和排气四个行程完成一个工作循环。进气行程引入新鲜气体，压缩行程缩小气缸内工作介质的体积，燃烧后的膨胀气体在做功行程推动活塞，排气行程则排出燃烧产物。四冲程形式广泛用于汽车发动机。二冲程发动机只需两个活塞冲程便完成一次循环，在较小功率的发动机及部分摩托车发动机中较为常见。

点火与燃烧方式

汽油机通常采用火花点火。燃料与空气形成的可燃混合气在压缩行程末端由火花塞点燃，燃烧产生的高压气体推动活塞做功。柴油机通常采用压缩点火：空气先在气缸内受到强烈压缩并升温，燃料随后喷入气缸并自行着火。往复式内燃机也可采用兼具点燃与压燃特点的复合式燃烧过程。

技术构成

其核心机构包括气缸、活塞、连杆与曲轴。气缸提供封闭的工作空间，活塞在气缸内往复移动，连杆连接活塞与曲轴，曲柄连杆机构负责完成直线运动与旋转运动之间的转换。发动机还需要完成进气、燃料供给、点火或喷射、排气及冷却等过程，使工作循环能够持续进行。

内燃机运行时会产生大量热量，常见冷却方式包括风冷和液冷。风冷利用流动空气及散热片带走热量；液冷则让冷却液循环流动，为发动机降温。汽车发动机普遍采用液冷方式，其冷却介质不一定是纯水。

运行特性与应用

单个气缸主要在做功行程输出动力，其他行程不会产生做功动力，因此输出扭矩会出现周期性波动。多缸发动机可让不同气缸的做功时刻相互错开，并通过共同的曲轴输出动力，以减小扭矩波动。

往复式内燃机主要用于汽车、摩托车等交通工具，汽油和柴油是常见燃料。含碳燃料燃烧时会排放二氧化碳和水汽；燃烧不完全或运行条件变化时，还可能产生一氧化碳、氮氧化物、碳黑颗粒及未燃烧碳氢化合物。发动机的燃烧过程和机械运动也会形成噪声。

技术演进

1876年，尼古拉斯·奥托制成引入压缩行程的新奥托发动机，成为四冲程发动机和奥托循环的早期原型。1885年，戈特利布·戴姆勒制成汽油机，并于次年制造汽油机驱动的汽车。1893年，鲁道夫·狄塞尔制成四冲程柴油机，利用高压缩使空气升温，再将燃料喷入气缸实现自燃。这些技术路线奠定了现代火花点火与压缩点火往复式内燃机的基本形式。