往复式活塞发动机的四个工作过程（往复活塞式发动机的热效率低于55）

首先要明确发动机的概念，所谓发动机是指能将气体、液体或汽液混合体等流体的内能（㶲）转化为旋转机械能的一种特殊装置。

发动机所遵循的基本理论基础包括牛顿三大力学定律、运动学、动力学及其理论公式及其数据等；热力学四大定律、流体力学、物理化学及其理论公式及其数据等；机械点对称结构原理及其理论计算公式及其数据，以及与此三者密切相关的能量转换理论、功能原理及其理论公式及其数据等。

发动机最基本的运动状态是匀速旋转，所以一切不符合匀速旋转的机械运动状态、流体运动状态、机械结构和机械受力状态等都是违背发动机基本原理的，也是不符合上述基本理论和基本原理的。

发动机最基本的功能是将流体中的所有可转化的内能（㶲）全部转化成旋转机械能，所以一切达不到这一要求的机械原理、机械结构、流体运动状态和机械受力状态等都是对资源和能量的浪费。

往复活塞式发动机在英语中叫Reciprocating Piston Engine，其中的Reciprocating一词是“来回、往复、交替”等意思；其中的 Piston一词是“活塞”的意思。从这些词意和这类发动机的工作原理和结构原理，就知道它们与发动机的要求就存在如下致命缺陷：

1. 首先，其中的活塞的往复直线运动和连杆的往复摆动等，就不是匀速运动，更不是匀速旋转运动。所以，无论我们怎么设计、制造这两个部件，往复活塞式发动机的结构原理和工作原理都不可能符合牛顿第一定律。其运动过程中要克服惯性，一是造成强烈振动和噪音；二是会严重损失能量。
2. 其次，其中的活塞环与气缸壁要直接接触，有固体摩擦、磨损等问题存在，而且气缸兼作燃烧室，处于高温状态，进一步增加了耐高温、耐磨等的难度。其运动过程中要克服摩擦，一是造成活塞环和气缸壁的机械磨损，影响寿命；二是由于摩擦阻力要损失能量。
3. 其三，其中的做匀速旋转的曲轴部件，它不是机械点对称结构部件，无论我们怎么设计、制造这个部件，都无法保证其动平衡。不仅如此，而且在旋转过程中连杆施加给曲轴的力是一个大小和方向都随时在变化的力，不符合牛顿第三定律。其运动过程中要克服转动惯性和承受复杂的受力状态，一是进一步造成强烈振动和噪音；二是要损失能量；三是要造成轴承受力不均，进而造成磨损，影响其寿命。

因此，往复活塞式发动机是最落后的发动机，是最不符合自然规律、牛顿力学定律和机械点对称结构原理的发动机。下图是典型的往复活塞式发动机结构图片：

往复活塞式发动机结构图片

4. 其四，我们再从制造的角度分析。如上图和上述分析所知，其制造难度包括：一是活塞和活塞环的制造精度和粗糙度要求极高，而且还要要求在高温条件不被拉毛；二是曲轴这种非点对称结构，就目前的科技水平，没有一种点对称的机械加工方法（如车、镗等）能一次加工制造这种结构（3D打印是非点对称加工方法）。只能用人工配合合适的专用机床将曲轴上的一个一个的“拐”加工出来，从理论上说无法百分之百的保证这种涡轮结构的动平衡。这些就是这种往复活塞式发动机的制造难度所在。

综上所述，往复活塞式发动机的上述四方面的致命理论缺陷和结构缺陷，就决定了它的如下性能缺陷：

1. 由于不符合牛顿第一定律和不完全符合牛顿第三定律，所以往复活塞式发动机的运转不可能百分之百的平稳，即始终会存在振动和噪音等风险，转速越高、行程越大这种风险越大。
2. 由于曲轴是非点对称结构，就无法用点对称的机械加工方法一次完成加工制造，所以往复活塞式发动机的动平衡不能得到百分之百的保证，即往复活塞式发动机的曲轴始终存在因加工制造误差带来的动平衡问题，始终存在进一步加剧振动和噪音的风险，加工制造能力越差，这种风险越大。
3. 由于气缸兼作燃烧室，而且还处于运动、变负荷状态，会带来一系列的技术问题、制造问题和质量问题，如材料的高温蠕变、材料的高温硬度和耐磨性、温差变形、质量差、寿命低等，转速越高、行程越大、气缸直径越大这些问题约严重。
4. 由于气缸内不能积液，否则活塞就不能复位甚至损坏机器等。所以燃气中的水蒸气不能大量液化，即气缸里的气体的温度不能过低，一般要保持40℃以上，使其气体中的热能得不到最大程度的释放利用。

总之，由于往复活塞式发动机的活塞往复直线运动、连杆的往复摆动、曲轴的惯性旋转、活塞与活塞环的摩擦等，都要损失能量，在加上排气温度高，等等问题，致使其热效率上不去，一般最高热效率都低于55%。