將往復活塞式
內燃機與
燃氣輪機中的壓氣機（即
壓縮機）和
燃氣透平以一定方式組合而成的動力裝置。往復活塞式內燃機的燃燒過程是間歇進行的，受熱零件冷卻方便，便於提高迴圈的最高溫度和壓力，故熱效率較高。燃氣輪機是連續續供氣，可以作得輕小。復合式發動機就是將兩者的優點結合起來，其功率可以全部由活塞式內燃機輸出，也可以由燃氣透平輸出。1905年，瑞士的A.比希就提出瞭柴油機-壓氣機-渦輪（即透平）復合裝置的方案，並在1911～1914年間進行瞭樣機試驗。但是，經過幾十年的研究，除廢氣渦輪增壓柴油機已獲得廣泛應用外，其他各類復合式發動機僅在特定的使用場合得到有限的發展。復合方案可按活塞式內燃機、壓氣機和燃氣透平之間的聯系方式分類（見圖）。
燃氣聯系的復合式發動機 即通常的廢氣渦輪增壓內燃機（圖中a）。這時燃氣透平的功率完全用於驅動壓氣機。它的優點是結構簡單緊湊，燃氣透平效率較高。缺點是冷起動性、低負荷性能、加速性能均較差（見內燃機增壓、廢氣渦輪增壓）。
機械聯系的復合式發動機 燃氣透平和壓氣機通過齒輪傳動與活塞式內燃機形成機械聯系(圖中b)。燃氣透平發出的功率全部傳給曲軸，壓氣機所需的功率由曲軸提供。這種方案的優點是可以回收除驅動壓氣機外燃氣透平所多餘的功率，在所有工況下充分利用廢氣能量。壓氣機的流量、壓力比與燃氣透平發出的功率無關，完全取決於活塞式內燃機的轉速，因此它的起動、低負荷、加速性能均較好。但這種發動機結構復雜，機械傳動需要消耗一部分有用功，在非設計工況下，燃氣透平效率比較低。對機械聯系的中、高速復合式發動機所作的多種方案的計算和試驗表明，它比一般廢氣渦輪高增壓柴油機的有效熱效率高2～4.7％，但由於結構復雜，尚未應用。70年代以來，由於絕熱式柴油機研究的進展，冷卻損失大大減少，排氣溫度急劇升高，排氣能量大幅度地增加，渦輪機除驅動壓氣機外，還有更多的剩餘功率。因此，絕熱式柴油機必將采用機械聯系的復合方案，其有效熱效率可高達50％。
液力聯系的復合式發動機 燃氣透平和壓氣機與活塞式內燃機的傳動中裝有液力偶合器(圖中c)，可使活塞式內燃機與壓氣機之間呈無級變速，從而增大活塞式發動機的扭矩儲備系數，並使起動、加速快而平穩，傳動系的隔振減振性好；但結構復雜，液力傳動有損失，偶合器用油需要冷卻。
復合聯系的復合式發動機 采用兩臺壓氣機，或者串聯(圖中d)，或者並聯（圖中e）。其中一臺壓氣機與燃氣透平組成渦輪增壓器，另一臺壓氣機由活塞式內燃機曲軸驅動，這就是復合增壓的二沖程柴油機。
燃氣發生器式復合式發動機 它又分為兩種。一種是用通常的曲柄連桿機構柴油機作為燃氣發生器（圖中f），壓氣機作為機械增壓器向柴油機提供增壓空氣。而柴油機對外不輸出功率，隻用來驅動壓氣機，並向渦輪機提供燃氣，由燃氣透平輸出功率。另一種是自由活塞式發氣機（見自由活塞式發動機）。