محرك احتراق داخلي

محرك الاحتراق الداخليهومحرك حرارييحترق بداخلهوقودمعمؤكسد(عادة هواء) فيغرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزءًا من دائرة سريانالوقود. يؤثر تمدد الغازات ذاتالضغطودرجة الحرارةالمرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي،بقوةمباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة علىالمكابسوريش التربينةوالفوهة الدافعة. تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحولالطاقة الكيميائيةإلىطاقة ميكانيكية. هذا النوع من المحركات أصبح بديلا عن محركات الإحتراق الخارجي نظرا لأن وزن أو حجم المحرك أصبح مهما.
صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطةإتيان لينوارعام 1859 تقريباً، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطةنيكولاس أوتو(انظردورة أوتو).
يشير مصطلحمحرك الاحتراق الداخليفي العادة إلى أن عمليةالاحتراقتتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلكالمحركات المكبسيةالأكثر شيوعاً (رباعية الأشواطوثنائية الشوط)، بالإضافة إلى المحرك سداسي الأشواطومحرك فانكلالدوار.
يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل:التربينات الغازيةوالمحركات النفاثةومعظمالمحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي. تعتبرالأسلحة الناريةمن محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.
تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عنمحركات الاحتراق الخارجيمثلالمحركات البخاريةومحرك ستيرلينج، التي تحتوي علىمائعتشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرقالفحملتسخينالمراجلللحصول على البخار اللازم (للمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل فيمِرجل(غلاية)، ويُمكن أن يكونمائعالتشغيل هواء أو مياه ساخنه أومياه مضغوطهأو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق منالوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالإضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسيللمركباتمثلالسياراتوالطائراتوالقوارب.
يعمل محرك الاحتراق الداخليبالوقود الأحفوريمثلالغاز الطبيعي،والمشتقات البتروليةمثلالبنزينوالديزلوزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايدللوقود المتجددمثل استخدامالديزل الحيويفيمحركات الاشعال بالانضغاط، ووقودالميثانولفيمحركات الاشعال بالشرارة. يُستخدمالهيدروجينأحياناًكوقود، ويُمكن الحصول عليه منالوقود الحفريأو منالطاقة المتجددة.
محرك الاحتراق الداخليهومحرك حرارييحترق بداخلهوقودمعمؤكسد(عادة هواء) فيغرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزء من دائرة سريانالوقود. يؤثر تمدد الغازات ذاتالضغطودرجة الحرارةالمرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي،بقوةمباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة علىالمكابسوريش التربينةوالفوهة الدافعة.تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحولالطاقة الكيميائيةإلىطاقة ميكانيكية.
صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطةإتيان لينوارعام 1859 تقريباً، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطةنيكولاس أوتو(انظردورة أوتو).
يشير مصطلحمحرك الاحتراق الداخليفي العادة إلى أن عمليةالاحتراقتتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلكالمحركات المكبسيةالأكثر شيوعاًرباعية الأشواطوثنائية الشوط، بالإضافة إلىالمحرك سداسي الأشواطومحرك فانكلالدوار.يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل:التربينات الغازيةوالمحركات النفاثةومعظمالمحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي.تعتبرالأسلحة الناريةمن محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.
تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عنمحركات الاحتراق الخارجيمثلالمحركات البخاريةومحرك ستيرلينج، التي تحتوي علىمائعتشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرقالفحملتسخينالمراجلللحصول على البخار اللازمللمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل في مِرجل (غلاية)، ويُمكن أن يكونمائعالتشغيل هواء أو مياه ساخنه أومياه مضغوطهأو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق منالوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالإضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسيللمركباتمثلالسياراتوالطائراتوالقوارب.
يعمل محرك الاحتراق الداخليبالوقود الأحفوريمثلالغاز الطبيعي،والمشتقات البتروليةمثلالبنزينوالديزلوزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايدللوقود المتجددمثل استخدامالديزل الحيويفيمحركات الاشعال بالانضغاط،ووقود الميثانولفيمحركات الاشعال بالشرارة.يُستخدمالهيدروجينأحياناًكوقود، ويُمكن الحصول عليه منالوقود الحفريأو منالطاقة المتجددة.
ساهم العديد منالعلماءوالمهندسينفي تطوير محرك الاحتراق الداخلي.
كانت كلمة محرك (بالإنجليزية:Engine)‏ (مأخوذه منالفرنسية القديمة، التي أخذتها من الكلمةاللاتينية"ingenium" والتي تعني «القدرة») في وقت ما تعني أي قطعة منالألة، الفهم الذي مازال مستمراً في المصطلحات مثلمحرك الحصار، بنما تشير كلمة «موتور» (مأخوذه من اللاتينية"motor"وتعني «محرك») إلى أي ألة تنتجقدرةميكانيكية. لا يُطلق علىالمواتير الكهربائيةعادة لفظ «محركات»، بينما يُشار إلى محركات الاحتراق الداخلي بلفظ «مواتير» (يشير لفظ «محرك كهربي» (بالإنجليزية:Electric engine)‏ إلىقاطرة كهربائية.).يُشار إلى محرك الاحتراق الداخلي المركب في هيكل السفينة بلفظ «محرك»، بينما يُطلق على المحركات المركبة على سطح السفينة لفظ «مواتير».
تعتبرالمحركات المكبسية التردديةأكثر مصدر طاقة شيوعاًللمركباتالبرية والمائية، مثلالسياراتوالدراجات الناريةوالسفن، وبدرجة أقلالقاطرات(بعضالقاطراتيعملبالكهرباءلكن معظمها يستخدممحركات ديزل). تُستخدممحركات فانكلالدوارةفي بعض السياراتوالطائراتوالدراجات النارية.
ظهرت محركات الاحتراق الداخلي في صورةالتربينات الغازيةأومحركات فانكلعندما نشأت الحاجة إلى نسب قدرة إلى وزن مرتفعة جداً. تستخدمالطائراتمحركات الاحتراق الداخلي، حيث كانت تستخدم الأنواع القديمةالمحركات الترددية، بينما تُستخدمالمحركات النفاثةالآن، وتستخدمالمروحياتمحرك عمود دوران توربينيالذي يندرج مع المحرك النفاث ضمن أنواعالتربينات الغازية. قد تستخدمطائرات الرحلاتمحرك احتراق داخلي منفصلكوحدة طاقة مساعدة. جُهز العديد منالطائرات الأليةبمحركات فانكل.
تشغل محركات الاحتراق الداخليمولدات كهربائيةكبيرة تزودالشبكات الكهربائيةبالطاقة. تتواجد المحركات في صورةتربينات غازيةفيدورة طاقة مركبة(تربينات غازيةوتربينات بخارية) تتراوحقدرتها الكهربائيةالناتجة من 100ميجاواتإلى 1جيجاوات. تُستخدم غازات عادم المحرك ذاتدرجة الحرارةالمرتفعة في الغلي والتسخين الفائق للمياه لتشغيلالتربينة البخارية، لذلك تكون كفاءةالدورة المركبةأكبر حيث تكون الطاقة المستفادة منالوقودأكثر من التي يُمكن الاستفادة بها في حالةالتربينة الغازيةفقط. تتراوح القيم المثالية لكفاءةالدورات المركبةمن 50 إلى 60%. تُستخدممولدات الديزلفي نطاق أصغر كمصدر احتياطي للطاقة وكمصدر طاقة للمناطق التي لا يتوافر فيهاشبكات كهربائية.
تُستخدم المحركات الصغيرة (محركات بنزينثنائية الشوطعادة) كمصدر طاقة شائعلألات جز العشبوالمناشير الكهربائيةومنفاخ أوراق الشجروألات الغسل ذات الضغط العاليوزلاجات الجليد الأليةوالزلاجة المائيةوالمحركات الخارجية(محركات دفع القوارب) والدراجاتوالدراجات النارية.
يوجد عدة طرق لتصنيف محركات الاحتراق الداخلي.
تُصنفالمحركات المترددةتبعاً لعددالأشواطإلى:
وتُصنف تبعاً لطريقة الإشعال إلى:
وتُصنف تبعاًلدورة الحراريةإلى:
(لا تشمل هاتين الدورتين كل المحركات المترددة، ومن النادر استخدامهما).
تنقسمالمحركات الدوارةإلى:
محركات الاحتراق المتصل:
تُعتبرحاوية المحركهي قاعدة محرك الاحتراق الداخلي وتُصنع عادة منالحديد الزهرأوالألومنيوم. تحتوي حاوية المحرك علىالأسطواناتبداخلها. تُوضعالأسطواناتفي صف واحد (محرك مستقيم) أو في صفين (محرك مسطحأومحرك شكل V) أو ثلاثة صفوف (محرك شكل W) فيالمحركاتالتي تحتوي على أكثر منأسطوانة، وتوجد أشكال أخرى للمحرك يمكن استخدامها. تُستخدممحركات الأسطوانة الواحدةفيالدراجات الناريةوفي الألات ذات المحركات الصغيرة. تحتوي المحركات المبردة بالمياه على ممرات في حاوية المحرك يدور فيهامائعالتبريد. تُبرد بعض المحركات الصغيرة بالهواء بدلاً من المياه، وتستخدم زعانف معدنية تبرز من حاوية المحرك لتبردهبانتقال الحرارةمباشرة إلى الهواء.تُجلحجدران الأسطوانة في النهاية بشكل متقاطع (بالإنجليزية:Cross hatch finish)‏ حتى تحتفظ بالزيت. إذا كان جدارالأسطوانةخشن جداً، سيؤدي ذلك إلى تآكلالمكبسبسرعة مما يسبب الضرر إلى المحرك.
المكابسهي أجزاء أسطوانية تتعرض من جهة واحدة فيالأسطوانةلخليط مرتفع الضغط من الهواء المضغوطوالغازاتالناتجة عن الاحتراق، وتتحركالمكابسمنزلقة داخلالأسطواناتباستمرار خلال عملالمحرك. يُسمى الجدار العلوي للمكبس برأس المكبس (بالإنجليزية:Crown)‏ ويكون عادة مسطح أو مقعر. تستخدم بعض المحركاتثنائية الشوطرأس مكبس منحرف. تكون المكابس مفتوحة ومجوفة من أسفل فيما عادة الهيكل الخارجي لها. عندما يعمل المحرك يُؤثر ضغط الغازات الناتجة منغرفة الاحتراقبقوة على رأس المكبس، تنتقل منه إلى الهيكل الخارجي ثم إلىمسمار المعصم(المسمار الذي يربطذراع التوصيلبالمكبس). يحتوي كل مكبس علىحلقاتمثبتة حوله لتمنع تسرب الغازات من داخلالأسطوانةإلى علبة المرافق، وتمنع تسرب الزيت إلى غرفة الاحتراق. يتخلصنظام تهوية علبة المرافقمن كميات الغاز الصغيرة التي تتسرب خلف المكبس أثناء التشغيل العادي، ويقوم بطردها خارج علبة المرافق حتى لا تتراكم وتلوث الزيت وتسبب صدأ أو تآكل. تكون علبة المرافق جزء من مسار الهواءوالوقودفيمحركات البنزينثنائية الشوط، ونتيجة للسريان المستمر للخليط لا تحتاج إلى نظام تهوية منفصل.
يتصلرأس الأسطوانةبحاوية المحرك بواسطةبراغي (مثبتة) ومسامير مسننة كثيرة. يوجد عدة وظائفلرأس الأسطوانة، فهو يقوم بعزلالأسطواناتمن الجهة المقابلةللمكابس، ويحتوي على أنابيب قصيرة للشحنة الداخلة ولغازات العادم ولصمامات الدخول التي تفتح لتمتلئالأسطوانةبالهواء، وصمامات العادم التي تفتح لتسمح بطرد غازات العادم للخارج. تصلالمحركات ثنائية الشوط، بالرغم من ذلك، فتحات الغاز مباشرة بجدار الأسطوانة بدون استخدامصمامات قفازية، حيث تتحكمالمكابسبفتح وغلق هذه الفتحات أثناء العمل. تُثبتشمعة اشعالفيرأس الأسطوانةأيضاً فيمحركات الاشعال بالشرارة، وكذلك يُثبتحاقن وقودفيمحركات الحقن المباشر. تستخدم كلمحركات الاشعال بالانضغاطحقن الوقود، وغالباً تستخدم الحقن المباشر لكن بعض المحركات تستخدمالحقن غير المباشرأيضاً. يُمكن لمحركات الإشعال بالشرارة أن تستخدممازج وقودأو حقن الوقود من خلال فتحة (بالإنجليزية:Port)‏ أو حقن مباشر. تحتوي معظم محركات الإشعال بالشرارة علىشمعة اشعالواحدة في كلأسطوانة، لكن بعض المحركات تحتوي على شمعتين في كل أسطوانة.
تمنعحشية رأسالأسطوانة تسرب الغاز بينرأس الأسطوانةوحاوية المحرك. يتم التحكم في فتح وغلق الصمامات عن طريق واحد أو أكثر منأعمدة الحدبةوالزنبركات، بينما تستخدم بعض المحركاتصمام متغير التحكم(بالإنجليزية:Desmodromic valve)‏ لايستخدم أي زنبركات. يُمكن أن يضغطعمود الحدبةمباشرة على الصمام أو على ذراع هزاز مباشرة أو من خلال عمود دفع.تُعزل علبة المرافق من أسفل بتركيبحوض مجمعلتجميعالزيتالمتساقط أثناء التشغيل لإعادة استخدامه مرة أخرى. يتواجدعمود المرفقفي التجويف بين حاويةالأسطواناتوالحوض المجمع، ويقوم بتحويل حركةالمكابسالترددية إلى حركة دورانية. تُستخدم المحامل الرئيسية لتثبيتعمود المرفقبالنسبة لحاوية المحرك حتى يدور. تشكل الحواجز الموجودة في علبة المرافق نصف كلمحمل رئيسي، ويكون النصف الآخر عبارة عن سدادة منفصلة على شكل قبعة. يُستخدم غطاء محمل رئيسي واحد في بعض الحالات بدلاُ من عدة سدادات صغيرة على شكل قبعة. يتصلذراع التوصيلبأجزاءعمود المرفقالمتباعدة (مسامير المرفق) من أحد نهايتيه، ومن نهايته الأخرى يتصلبالمكبسبواسطةمسمار المعصم، وهكذا يقوم بنقل وتحويل الحركة الترددية من المكابس إلى حركة دورانية فيعمود المرفق. تُسمى نهايةذراع التوصيلالمتصلةبمسمار المعصمبالنهاية الصغيرة، وتُسمى النهاية الأخرى التي تصله بعمود المرفق بالنهاية الكبيرة. تكون النهاية الكبيرة عبارة عن نصفين منفصلين حتى تلتف علىعمود المرفق، وتُثبت معه بواسطة براغي قابلة للإزالة.
يتصلأنبوب السحب المتشعبوأنبوب العادم المتشعببفتحاتهما المقابلة فيرؤوس الأسطوانات. يتصل أنبوب السحب المشتعب مباشرةبفلتر هواء، أوبمكربن الهواءإن تواجد والذي يكون متصلاًبفلتر هواء. يقوم أنبوب السحب بتوزيع الهواء علىالأسطواناتمفردة. يُعتبر أنبوب العادم المتشعب أول جزء فينظام العادم، حيث يقوم بتجميع غازات العادم من الأسطوانات وتوصليها للجزء التالي في مسار العادم. قد يحتوي نظام العادم في محركات الاحتراق الداخلي علىمحول حفزييقلل من تأثير الغازات السامة،وكاتم صوتيقلل من تأثير الضوضاء. ينتهي مسار غازات العادمبأنبوب الذيلالذي يقوم بطردها إلى الهواء.
تعرفالنقطة الميتة العلياللمكبسعلى أنها أقرب نقطة يقترب إليها المكبس من الصمامات، بينما تُعرفالنقطة الميتة السفلىأنها أبعد نقطة يبتعد فيهاالمكبسعن الصمامات. يُعرفشوط المكبسأنه المسافة التي يتحركها المكبس من النقطة الميتة العليا إلى النقطة الميتة السفلى والعكس.يدورعمود المرفقبسرعةثابتة أثناء عملالمحرك. يتم كل مكبس في محرك الاحتراق الداخليرباعي الأشواط، شوطين لكل دورة من دورانعمود المرفق، ويكون ترتيب الأشواط كالتالي بداية من النقطة الميتة العليا:
يتم كلمكبسفي هذهالمحركاتدورة حراريةكل دورة من دورانعمود المرفق. تحدث العمليات الأربعة: السحب والانضغاط والقدرة وطرد العادم في شوطين، لذلك لا يُمكن هنا إجراء كل عملية في شوط مخصص لها. تتكون الدورة بداية من النقطة الميتة العليا من العمليات التالية على الترتيب:
يستخدمالمحرك رباعي الأشواطالمكبسكمضخة موجبة الازاحةلتنظيفالأسطوانة، فيأخذ شوطين من الأربع أشواط لتلك العملية، بينما يستخدمالمحرك ثنائي الشوطالجزء الأخير من شوط القدرة والجزء الأول من شوط الانضغاط لسحب الشحنة وطرد العادم معا. يُحصل على الشغل اللازم لازاحة الشحنة وغازات العادم من علبة المرافق أو من منفاخ منفصل. يٌقصد بعملية التنظيف (بالإنجليزية:Scavening)‏ طرد غازات العادم وادخال شحنة جديدة إلىالأسطوانة، ويوجود نوعين من التنظيف: التنظيف أحادي الاتجاه (بالإنجليزية:Uniflow Scavening)‏ والتنظيف الحلقي (بالإنجليزية:Loop Scavening)‏، ونشرت منظمة SAE في عام 2010 أن التنظيف الحلقي أفضل من التنظيف أحادي الاتجاه في كل الأحوال.
تقوم بعضمحركات الاشعال بالحرارةبتنظيفالأسطوانةبواسطة علبة المرافق (بالإنجليزية:Crankcase scavenged)‏، ولا تستخدم صمامات قفازية. تُستخدم علبة المرافق والجزء السفلي منالأسطوانةأسفلالمكبسكمضخة. تتصل فتحة دخول الشحنة بعلبة المرافق من خلالصمام ريشة(بالإنجليزية:Reed valve)‏ أو صمام القرص الدوار ويُدار بواسطة المحرك. يوجد منفذ انتقال في كلأسطوانةيتصل بعلبة المرافق من أحد نهايتيه وتتصل نهايته الأخرى بجدار الأسطوانة. يتصل منفذ العادم مباشرة بجدارالأسطوانة. يتم فتح وغلق منفذ الانتقال ومنفذ العادم بواسطةالمكبس. يُفتح صمام الريشة عندما يكون الضغط في علبة المرافق أقل من ضغط السحب بجزء بسيط، ليسمح لها أن تمتلئ بشحنة جديدة، ويحدث ذلك أثناء تحرك المكبس لأعلى. يزداد الضغط في علبة المرافق عند تحرك المكبس لأسفل، ويغلق صمام الريشة على الفور، ثم تُضغط الشحنة الموجودة في علبة المرافق. يكشف المكبس منفذ العادم ومنفذ الانتقال عند تحركه لأعلى، ونتيجة للضغط المرتفع للشحنة الموجودة في علبة المرافق، تدخل إلى الأسطوانة من خلال منفذ الانتقال وتقوم بازاحة غازات العادم. تُزيت علبة المرافق بإضافةزيت ثنائي الشوطإلىالوقودبنسب صغيرة. يشير مصطلح الزيت النفطي (بالإنجليزية:Petroil)‏ إلى خليط منالبنزينمع زيت ثنائي الشوط. يكون لهذا النوع منالمحركات ثنائية الشوطكفاءة أقل منالمحركات رباعية الأشواطويطرد غازات عادم أكثر تلوثاً للأسباب التالية:
إن الميزة الأساسيةللمحركات ثنائية الشوطعنالمحركات رباعية الأشواط، هي البساطة الميكانيكيةونسبة القدرة إلى الوزنالمرتفعة. تنتج المحركات ثنائية الشوطقدرةأقل بمقدار النصف عن تلك التي تنتجها المحركات رباعية الأشواط، بالرغم من أن أشواط القدرة فيالدورةالواحدة في المحركات ثنائية شوط ضعف أشواط القدرة في الدورة الواحدة في المحركات رباعية الأشواط.
مُنع استخدامالسياراتوالدراجات الناريةالمستخدمة لمحركات ثنائية الشوط فيالولايات المتحدة الأمريكيةبسبب التلوث، وبالرغم من ذلك تُستخدم ألاف المحركات في ألات العناية بالحدائق.
يتم تجنب العديد من سلبيات التنظيف بواسطة علبة المرافق باستخدام منفاخ منفصل للتنظيف، ويكون ذلك على حساب زيادة التعقيد الميكانيكي، مما يعني زيادة التكلفة ومتطلبات الصيانة. يستخدمالمحركمن هذا النوع فتحات أو صمامات لدخول الشحنة وصمامات لطرد العادم، فيما عداالمحركات ذات المكابس المتعاكسةالتي قد تستخدم فتحات لطرد العادم. يكون نوع المنفاخ عادةشاحن توربيني فائق نوع روتس، ولكن أنواع أخرى قد استخدمت أيضاً. يعتبر هذا التصميم شائع الاستخدام فيمحركات الاشعال بالانضغاط، واستُخدم أيضاً فيمحركات الاشعال بالشرارة.
تستخدممحركات الاشعال بالانضغاطالمستخدمة للمنفاخ التنظيف أحادي الاتجاه. يحتوي جدارالأسطوانةفي هذا التصميم على فتحات موزعة بانتظام على محيط جدار الأسطوانة أعلى الموضع الذي يكون عنده رأس المكبس (بالإنجليزية:Piston Crown)‏ عندما يكونالمكبسعند النقطة الميتة السفلى مباشرة. يُستخدم صمام عادم واحد أو العديد منه مثلما هو الحال فيالمحركات رباعية الأشواط. يكون الجزء الأخير من أنبوب الدخول المتشعب عبارة عن أنبوب موصل بفتحات الدخول فيالأسطوانةلتزويدها بالهواء. تُوضع فتحات الدخول في موضع أفقي بالنسبة لجدار الأسطوانة (في نفس مستوى رأس المكبس)، لكي تكسب الشحنة الداخلة حركة دوامية لتحسين عملية الاحتراق.
إن أكبر محركات الاحتراق الداخلي المترددة تكونمحركات اشعال بالانضغاطمنخفضة السرعة من هذا النوع، وتُستخدمللدفع البحريأوتوليد الطاقة الكهربية، وتحقق أقصىكفاءة حراريةبين جميع أنواع محركات الاحتراق الداخلي. تعمل بعضمحركات الديزلللقاطرات الكهربية على الدورة ثنائية الشوط. تبلغ القدرة الفرملية لأقوى محرك بين هذه المحركات حوالي 4.5ميجا واتأو 6000حصان. تستخدم القاطرة طرازإي إم دي اس دي 90 ماكمحرك ثنائي الشوط، بينما تستخدم القاطرة المناظرة لها طرازجي إي ايه سي 6000 سي دبليومحرك رباعي الأشواط، والتي تبلغقدرةمحركها نفس قدرةالقاطرةسابقاً.
يعتبرمحرك الديزل ثنائي الشوطفرتسيلا-سولزر أر تي ايه 96-سيالمزودبشاحن توربينيوالمستخدم فيسفن الحاويات، مثال لهذا النوع من المحركات، ويعتبر أكثر محركات الاحتراق الداخلي كفاءة وقدرة في العالم، بكفاءة تتجاوز 50%.تبلغالكفاءة الحراريةلأفضل وأصغرمحرك رباعي الأشواط، على سبيل المقارنة، حوالي 43%، ويعتبر الحجم ميزة بالنسبة للكفاءة بسبب الزيادة في نسبة الحجم إلى مساحة السطح.
كشفدوجلد كلركعن أولمحرك ثنائي الشوطفي عام 1879. استخدم هذا المحركأسطوانةمنفصلةكمضخةلنقل خليطالوقودإلىأسطوانةالمحرك.قام جون داي بتبسيط تصميم محرك كلرك في عام 1899، ليصبح على هيئةالمحرك ثنائي الشوطالمنتشر الآن.تجري محركات دورة داي عملية التنظيف بواسطة علبة المرافق، وتستخدم فتحات موقوتة. تُستخدم علبة المرافق وجزءالأسطوانةالموجود أسفل فتحة العادمكمضخة. يبدأ عمل محرك دورة داي عندما يدورعمود المرفقفيتحركالمكبسمن النقطة الميتة العليا صعوداً، فيخلق فراغاً في منطقة علبة المرافق/الأسطوانة. يقوممكربن الهواءبعد ذلك بتزويد علبة المرافق بخليط الوقود من خلال صمام ريشة أو صمام القرص الدوار. تكون هناك عملية إلقاء للخليط في القنوات التي تصل علبة المرافق بفتحة دخول الشحنة فيالأسطوانة، وفي القنوات التي تصل فتحة العادمبأنبوب العادم. يُسمى ارتفاع منفذ الدخول أو العادم بالنسبة لطول الأسطوانة «توقيت المنفذ».
لا يكون هناكوقودفيالأسطوانةخلال أولشوطصاعدللمحرك، حيث تكون علبة المرافق فارغة. يقومالمكبسفي الشوط الهابط بضغط خليط الوقود، والذي قام بتزييتالمكبسفيالأسطوانةوتزييتالمحاملأيضاً بسبب احتوائه على زيت قد أُضيف إليه. يكشفالمكبسفتحة العادم أولاً عند تحركه لأسفل، لكن لا يكون هناك وقود محترق في أول شوط ليتم التخلص منه. يكشفالمكبسبعد ذلك فتحة دخول الشحنة، والتي تكون متصلة بعلبة المرافق بواسطة قناة (مجرى). يتحرك خليط الوقود إلىالأسطوانةمن خلال القناة بسبب ارتفاعضغطخليط الوقود في علبة المرافق.
تتطلب محركات الاحتراق الداخلي إشعال خليطالوقود، إما بواسطةشمعة اشعال(الإشعال بالشرارة) أو إشعال بالانضغاط. استُخدمت وسائل إشعال اعتمدت على أنبوب ساخن ولهب قبل اختراع وسائل الإشعال الكهربية الفعالة. صُنعت محركات تجريبية تستخدمالإشعال بالليزر.
كان محرك الإشعال بالشرارةتطوير للمحركات المبكرة التي استخدمت الإشعال بأنبوب ساخن. أصبح جهازالمغنيط(المغنيطمولد كهربائيصغير يحتوي بداخله علىمغناطيسمؤقت، ويزودشمعات الاشعالبنبضاتجهد كهربيمرتفعة) النظام الأساسي لتزويدشمعات الاشعالبالكهرباء، بعدما اخترعه بوش. مازالت العديد من المحركات الصغيرة تستخدممغنيط الإشعال. يبدأ تشغيل المحركات الصغيرة بإدارة عمود مرفق باليد باستخدامبادئ حركة ارتدادي(بالإنجليزية:Recoil Crank)‏ أو مدورة يدوية. استخدمت كل سياراتمحركات البنزينمدورة يدوية قبل تطويرتشارلز كيترنجصاحبمؤسسة دلسو للإكترونيات،محرك بدء الحركة.
تشغل المحركات الكبيرةمحركات بدء الحركةوأنظمة الإشعال باستخدام الطاقة الكهربية المخزنة فيبطاريات الرصاص. يتم شحن البطارية بواسطةمولدتيار مترددأو مولد يستخدم قدرة المحرك لتوليد طاقة كهربية وتخزينها.
تولدالبطاريةطاقة كهربية لبدء الحركة عند احتواء المحرك علىمحرك بدء حركة، وتقوم بتوفيرالطاقة الكهربيةعندما يكون المحرك مغلق. توفر البطارية طاقة كهربية خلال حالات التشغيل النادرة أيضاً، عندما لا يكونالمولدقادراً على توليد أكثر من 13.8فولت(بالنسبة لنظام السيارة الكهربي 12فولت). تقومبطارية الرصاصبتزويد الحمل الكهربي عند انخفاضجهدالمولد عن 13.8فولت. يقوم المولد بتزويد الطاقة الكهربية الأساسية خلال كل ظروف التشغيل تقريباً، ويشمل ذلك حالات تشغيل المحرك بدون حركة السيارة (بالإنجليزية:Idle Conditions)‏.
تقوم بعض الأنظمة بتعطيلالمولدخلال حالات التشغيل القصوى، ويؤدي ذلك لخفض الحمل الميكانيكي على أقطاب المولد إلى صفر تقريباً، مما يرفع قدرةعمود المرفقإلى قدرته القصوى. تقومالبطاريةفي هذه الحالة بتوفير كل الطاقة الكهربية الأساسية.
تُزودمحركات البنزينبخليط منالهواءوالبنزين، ويُضغط الخليط بواسطة حركةالمكبسمن النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا حيث يصل الوقود إلى أقصى درجة من الانضغاط. يوصف التخفيض في حجم المساحة المجتازة فيالأسطوانةبنسبة مع الأخذ في الاعتبار حجمغرفة الاحتراق. بلغتنسبة الانضغاطللمحركات المبكرة 6 إلى 1، وازداتكفاءةالمحركبزيادةنسب الانضغاط.وجب خفضنسب الانضغاطخلال استخدام أنظمةحقن الوقودوالإشعال المبكرة. أدت التطورات في تكنولوجيا الوقود والتحكم في عملية الاحتراق إلى الحصول على محركات مرتفعة الأداء تعمل بكفاءة عندنسبة انضغاط1:12. ستظهر مشكلة عند استخداموقودذورقم أوكتانمنخفض عند زيادةنسبة الانضغاط، حيث سيشتعل الوقود قبل الوقت المناسب نتيجة ارتفاعدرجة الحرارةبسبب الانضغاط. طورتشارلز كيترنجاضافات من الرصاص إلى الوقود تسمح باستخدامنسب انضغاطمرتفعه.
يتم اشعال خليط الوقود عند مواضع مختلفةللمكبسفيالأسطوانة. تحدث شرارة الإشعال عندما يقتربالمكبسمن النقطة الميتة العليا فقط عندالسرعات الدورانيةالمنخفضةلعمود المرفق. يتقدم وقت حدوث شرارة الإشعال بالنسبة لموضعالمكبسفيالأسطوانةبزيادة السرعة الدورانية للحصول على مزيد منالقدرة، أي أنه كلما ازدادت السرعة الدورانيةلعمود المرفق، يحدث الإشعال عند مواضعللمكبسقبل وصوله للنقطة الميتة العليا ويبتعد موضع الإشعال كلما زادت السرعة. تحدث الشرارة في وقت مبكر من انضغاط الوقود كلما زادت السرعة الدورانية.
يتم الحصول علىالجهدالعالي المطلوب، حوالي 10000فولت، بواسطةملف حثيأومحول كهربي. يكون الملف الحثي عبارة عن نظام عكسي يقوم بقطعالتيار الكهربيللنظام الأساسي بواسطة قاطع متزامن (بالإنجليزية:synchronized interrupter)‏. يمكن أن يكون القاطع إما نقاط اتصال أوترانزستورقدرة. تظهر مشكلة هذا النوع من نظام الإشعال عندما تزداد السرعة الدورانيةلعمود المرفق، حيث تقل الطاقة الكهربية المتوفرة. يعتبر ذلك مشكلة لأن كمية الطاقة الكهربية اللازمة لاشعال وقود أكثر كثافة تكون مرتفعة. كانت النتيجة دائماً فقد الإشعال عند السرعات الدورانية المرتفعة.
طُور نظام اشعال عن طريق تفريغ مكثف. ينتج هذا النظامجهد كهربيمرتفع، يتم ارساله إلىشمعة الاشعال. يمكن أن يصل جهد نظام القرص المضغوط إلى 60000فولت.تستخدم أقراص الإشعال المضغوطة (بالإنجليزية:CD ignitions)‏ محولات كهربائية تصاعدية. يستخدم المحول الكهربي التصاعدي الطاقة المخزنة فيسعة كهربائيةلتوليد شرارة كهربائية. يتم تزويدالأسطوانةالمناسبةبجهد كهربيمرتفع في الوقت المناسب، بواسطة نظام تحكم ميكانيكي أو كهربي. تشعل الشرارة الصادرة منشمعة الاشعالخليط الهواءوالوقودالموجود فيأسطواناتالمحرك.
يبدأ تشغيلمحركات البنزينفي الطقس البارد بسهولة كبيرة عنمحركات الديزل، وبالرغم من ذلك، مازال بالإمكان تعرضمحركات البنزينلمشاكل عند بداية تشغيلها في الطقس البارد في الحالات القصوى. كان ركنالسيارةفي مناطق ساخنة هو الحل لسنوات لهذه المشكلة. يُفرغالوقودمن المحرك في بعض المناطق في العالم، ويتم تدفئته خلال الليل ثم يتم ارجاعه للمحرك لبداية تشغيله في الظروف الباردة. طُورتوحدة تحويل البنزين إلى غازفي وقت مبكر من عام 1950. يتم سحبالبنزينإلى الوحدة وحرق جزء منه، فيتسبب بتحويل الجزء الأخر إلى بخار ساخن يُرسل مباشرة إلى الأنبوب المتشعب لصمام الدخول. كانت هذه الوحدة شائعة حتى أصبحت المسخنات الكهربية لحاوية المحرك تُوضع بشكل قياسي فيمحركات البنزينالمباعة في المناطق ذات الطقس البارد.
تعتمدمحركات الديزلذاتالاحتراق المختلط سابقا جزئياوالاشعال بالانضغاط للشحنة المتجانسةعلىالضغطوالحرارة، الذان يوجدهما المحرك في إجراء الانضغاط من أجل عملية الإشعال. يساوي الانضغاط الحادث فيمحرك الديزلضعف أو أكثر من ضعف الانضغاط الحادث فيمحرك البنزين. يسحبمحرك الديزلهواء فقط من صمام الدخول، وتُرش كمية صغيرة من الوقود قبل الوصول إلى أقصى انضغاط بواسطةحاقن الوقود، مما يسمح باشتعال الوقود فوراً. تسحب المحركات ذات الإشعال بالانضغاط للشحنة المتجانسة،هواءووقودوتستمر بالاعتماد على عملية احتراق غير مساعدة بسببالضغطوالحرارةالمرتفعين. يوضح ما سبق سبب تأثرمحركات الديزلومحركات الإشعال بالانضغاط للشحنة المتجانسة بمشاكل بداية التشغيل في الطقس البارد، وبالرغم من ذلك فإنها تعمل بشكل جيد في الطقس البارد بعد بداية التشغيل. تستخدممحركات الديزلذاتالحقن الغير مباشرالموجودة في السيارات ذات المهام الخفيفة والشاحنات الخفيفة،شمعات توهجلتسخينغرفة الاحتراققبل بداية تشغيلالمحركلخفض ظروف عدم بداية التشغيل في الطقس البارد. تحتوي معظممحركات الديزلعلىبطاريةوأنظمة شحن أيضاً، ومع ذلك، فإن هذا النظام نظام ثانوي، يضيفه الصانع كنوع من الرفاهية لتسهيل بداية التشغيل، وغلق وفتح وصول الوقود، ولتشغيل الأجزاء الكهربية والمكونات الكمالية. تعتمد معظم المحركات الحديثة علىوحدة تحكم في المحرككهربية وإلكترونية، يمكنها ضبط عملية الاحتراق أيضاً لزيادةالكفاءةوتقليل الانبعاثات.
تحتاج الأسطح المتلامسة والمتحركة بالنسبة لبعضها للتزييت لخفض تآكلها وخفض الضوضاء، وزيادة الكفاءة بتقليل القدرة المفقودة في التغلب على الاحتكاك، أو لجعلميكانيزمالحركة يعمل. يحتاج المحرك للتزييت في الأجزاء التالية على الأقل:
تُزيت علبة المرافق من الداخل وكذلكعمود المرفقوذراع التوصيلوأسفلالمكابسفيالمحركات ثنائية الشوطالمنظفة بواسطة علبة المرافق، وذلك عن طريق رش زيت ثنائي الشوط في خليط الوقود والهواء، ويُحرق الزيت مع خليطالوقود. قد تُوضع مجموعة الصمامات في حيز مغمور بمادة تزييت، لذلك قد لا يكون هناك حاجةلمضخةزيت.
لا تُستخدممضخةزيت فينظام التزييت بالرش، ويُغمرعمود المرفقفيالزيتفي حوض المحرك بدلاً من ذلك، ونتيجة لسرعة دورانه المرتفعة يقومعمود المرفقبرشالزيتعلى نفسه وعلىأذرع التوصيلوأسفلالمكابس. قد تحتوي أغطية النهاية الكبيرةلذراع التوصيلعلى مغرفة ملحقة بها لزيادة تأثير رشالزيت. قد تُعزل مجموعة الصمامات في حيز مغموربالزيتأو تكون معرضةلعمود المرفقبحيث تستقبلالزيتالمرشوش وتسمح بتسربه مرة أخرى لحوض المحرك. يُستخدم التزييت بالرش فيالمحركات رباعية الأشواطالصغيرة.
يتم التزييت فينظام التزييت القسري (المضغوط)في حلقة مغلقة، حيث يُحملزيت المحركبواسطة نظام التزييت إلى الأسطح المراد تزييتها، ثم يعودالزيتإلى خزان الزيت. لا تُزيت المعدات المساعدة للمحرك بواسطة حلقة التزييت السابقة، على سبيل المثال: قد يستخدممولد تيار مترددمحامل كريات(رولمان بلي) مُزيتة. يكون حوض المحرك هو خزان الزيت عادة، وفي هذه الحالة يُسمى نظامالحوض الرطب. عندما يكون هناك خزان زيت مختلف عن السابق، يستمر تزويد علبة المرافقبالزيت، لكن يتم تسريبه بواسطةمضخةمخصصة: يُسمى هذا النظام نظامالحوض الجاف.
يحتوي حوض الزيت في أسفله على مدخل للزيت مغطى بمرشح (فلتر) شبكي متصل بمضخة زيت ثممرشح زيتخارج علبة المرافق، بعد ذلك يتم ارجاع الزيت للمحامل الرئيسيةلعمود المرفقوإلى مجموعة الصمامات. تحتوي علبة المرافق على الأقل على قناة زيت واحدة داخل جدارها، تستقبل من خلالهاالزيتمن مرشح الزيت. تحتوي المحامل الرئيسية (محامل عمود المرفق) على أخدود خلال نصف محيطها أو محيطها بالكامل، ويدخلالزيتإلى هذه الأخاديد من القنوات المتصلة بقناة الزيت. يحتويعمود المرفقعلى ثقوب يأخذ من خلالهاالزيتمن هذه الأخاديد ويوصلها إلى المحامل ذات النهاية الكبيرة. تُزيت جميع المحامل كبيرة النهاية بهذه الطريقة. قد يُزود محمل رئيسي واحد 1 أو 2 من المحامل كبيرة النهاية بالزيت، وقد لا يُزود أيا منها. قد يُستخدم نظام مشابه لتزييتالمكبسومسمار المعصموالنهاية الصغيرةلذراع التوصيل: تحتوي النهاية الكبيرة لذراع التوصيل في هذا النظام على أخدود حولعمود المرفقوثقب في هذا الأخدود يتوزع من خلالهالزيتلأسفلالمكبسوالأسطوانة.تُستخدم أنظمة أخرى أيضاً لتزييتالأسطوانةوالمكبس. يحتويذراع التوصيلعلى فوهة لنفث الزيتللأسطوانةوأسفل المكبس. تتحرك هذه الفوهة بالنسبة للأسطوانة التي تُزيتها، ولكنها تشير إليها دائماً أو إلى مكبسها.
يحتوي نظام التزييت القسري على تدفق زيت أكثر من المطلوب للتزييت، وذلك لاستخدامه كمساعد في التبريد. يساعد نظام التزييت في نقلالحرارةمن أجزاءالمحركالساخنة إلى سائل التبريد (في حالة المحركات المبردة بالماء) أو إلى الزعانف (في حالةالمحركات المبردة بالهواء) التي تقوم بطرد الحرارة للبيئة المحيطة. يجب أن تكون مادة التزييت مستقرة كيميائياً وتحققلزوجةمناسبة خلال مدىدرجات الحرارةالناتجة من المحرك.
تشمل أشكال الترتيب الشائعةللأسطواناتالترتيب الخطي (محرك خطي) والترتيب الأكثر صعوبة فيشكل V، والترتيب في شكل مسطح (محرك مسطح) والذي يتميز بالسلاسة على الرغم من عرضه. تستطيعمحركات الطائراتاستخدام الترتيبالشعاعيللأسطوانات، والذي يتيح تبريد أفضل. استُخدمت أيضاً أشكال الترتيب النادرة مثل الترتيب علىشكل Hوشكل Uوشكل Xوشكل W (محرك شكل W).
تضع المحركات متعددةالأسطواناتمجموعة الصماماتوعمود المرفقبحيث تكون المكابس عند مواضع مختلفة من دورة التشغيل (تؤديالمكابسأشواطمختلفة)، ومن المرغوب فيه أن تكون دوراتالمكبسمتباعدة بشكل منتظم (يًسمى ذلك بترتيب الإشعال المتساوي، وفيه تكون الزاوية بين كل اشعال والاخر متساوية، ويتم حسابها بقسمة زاوية الدوران الكليةلعمود المرفقعلى عددالأسطوانات. مثال: إن كان المحركرباعي الأشواطفإنعمود المرفقيكملالدورة الحراريةكل 720 درجة، وإن كان المحرك رباعيالأسطوانات، يكونترتيب الاشعال4/720 أي أن الإشعال يحدث فيأسطوانةمختلفة كل 180 درجة من دورانعمود المرفق) خاصة في محركاتالسحب القسريللهواء، ويقلل هذا من نبضاتالعزمويجعلالمحركات الخطيةالمحتوية على أكثر من 3أسطواناتأكثر اتزاناً بالنسبة للقوى الأساسية (انظراتزان المحرك). تحتاج بعض أشكال المحركات إلى ترتيب اشعال فردي (الزاوية بين كل اشعال والاخر فيأسطواناتمختلفة غير متساوية، مثال: محرك 6أسطواناتيحدث الإشعال فيه عند 90 درجة و150 درجة، لكن الإشعال المتساوي كان يجب أن يحدث عند 6/720 أي كل 120 درجة من دورانعمود المرفق) لتحقيق اتزان أفضل من استخدام ترتيب الإشعال المتساوي (ترتيب الاشعال: هو ترتيب أشواط القدرة فيالأسطواناتللحصول على توزيع متساوي للقوى المؤثرة علىعمود المرفق). يحققمحرك خطي مزدوجرباعي الأشواط، على سبيل المثال، اتزان أفضل عندما تكون الزاوية بينمسامير المرفق180 درجة (مكبس صاعد ومكبس هابط) حيث تتحركالمكابسفي اتجاهات متعاكسة فيلغي ذلك تأثيرعزم القصور، لكن ذلك يُعطي ترتيب اشعال فردي، حيث تًشعل الشحنة في الأسطوانة بعد 180 درجة من حدوث الإشعال في الأسطوانة الأخرى، ولايحدث اشعال في أي أسطوانة عند زاوية 540 درجة من دوران عمود المرفق (ترتيب الإشعال المتساوي لهذا المحرك يكون 2/720 أي كل 360 درجة). تتحرك المكابس في انسجام عند ترتيب الإشعال المتساوي.
لا تحتاج بالضرورة أشكالعمود المرفقالمتعددة إلىرأس أسطوانةفي جميعالأسطوانات، وبدلاً من ذلك قد تستخدممكبسعند كل نهاية من نهايتيالأسطوانة، ويُسمى ذلك التصميممحرك بمكابس متقابلة. يمكن تحقيق التنظيف أحادي الاتجاه فيأسطوانةهذا التصميم، حيث أن مداخل ومخارج الوقود تقع عند نهايتين متقابلتين للأسطوانة، ويكون التنظيف أحادي الاتجاه فعال على مدى واسع من سرعات المحرك، كما هو فيالمحركات رباعية الأشواط. يؤدي نقصرؤوس الأسطواناتإلى تحسينالكفاءة الحرارية. استُخدم هذا التصميم فيمحرك الطائرةالديزليونكرز جومو 205، باستخدامعمودين مرفقعند نهايتي مجموعة واحدة منالأسطوانات. استُخدم بشكل أكثر ملاحظة فيمحركات الديزلنابير ديلتك، واستخدمت ثلاثأعمدة مرفقلتشغيل 3 مجموعات من الأسطوانات مزدوجة النهاية (تستخدم مكبسين متقابلين) موضوعة في شكل مثلث متساوي الأضلاع، ووُضعتأعمدة مرفقعند رؤوس المثلث. استُخدم أيضاً هذا التصميم في محركاتالقاطراتذات مجموعةأسطواناتواحدة، ومازالت تُستخدم في محركاتالدفع البحريومولدات الكهرباءالبحرية الاحتياطية.
تستخدم معظمشاحناتوسياراتمحركات الديزل دورة مكونة من أربع أشواط، بنظام اشعال عن طريق الحرارة الناتجة من الانضغاط بدلاً من استخدام نظام اشعال منفصل. تُسمى هذه الدورةبدورة ديزل. يُحقنالوقودمباشرة فيالأسطوانةفي دورة ديزل، لذلك يحدث الاحتراق عند ضغط ثابت، أثناء تحركالمكبس.
تعتبردورة أوتودورة نموذجية لمعظمسياراتمحركات الاحتراق الداخلي، التي تستخدمالبنزينكوقود. دورة أوتو هي نفس الدورة التي وُصفتللمحرك رباعي الأشواط. تتكون الدورة من نفس الخطوات الرئيسية: السحب والانضغاط والإشعال والتمدد وطرد العادم.
صنع وباعنيكولاس أوتومحرك ذو تمدد مضاعف في عام 1879 (استُخدمت مبادئ التمدد المضاعف والتمدد الثلاثي بكثرة فيالمحركات البخارية)، وتكون منأسطوانتينصغيرتين على جانبيأسطوانةأكبر وذات ضغط منخفض يحدث فيها شوط تمدد غاز العادم. أعاد المشتري المحرك بحجة ضعف الأداء. استُخدم هذا المبدأ في عام 1906 فيسيارةصُنعت بواسطةشركة إزينهوث هورسيليس للمركباتفيالولايات المتحدة، وفي القرن الواحد والعشرين صمم واخترعإلمورمحرك احتراق داخلي خماسي الأشواط متضاعف التمدد، لهقدرةناتجة مرتفعةواستهلاك نوعي للوقودمنخفض.
اختُرعالمحرك سداسي الأشواطفي عام 1883. استخدمت أربع أنواع من المحركات سداسية الأشواط،مكبسعادي يتحرك داخلأسطوانةعادية (محرك جريفين سداسي الأشواط، محرك بوجلاذ سداسي الأشواط، محرك فيلوزيتا سداسي الأشواط، محرك كرور سداسي الأشواط)، ويحدث الإشعال كل ثلاث دورات من دورانعمود المرفق(كل 540 درجة). استطاع هذا النظام الاستفادة من الحرارة المفقودة فيدورة أوتورباعية الأشواطعن طريق حقن الهواء أو الماء.
لم يضغط أول محرك احتراق داخلي خليط الوقود والهواء. كان يًسحب خليط الوقود والهواء خلال الجزء الأول من شوط هبوطالمكبس، ثم يُغلق صمام الدخول ويًشعل الخليط خلال باقي الشوط. يُفتح صمام العادم أثناء صعودالمكبس. كانت تهدف هذه المحاولات لمحاكاةالمحرك البخاري، لكنها افتقرت بشدة للكفاءة. طرأ عدد من التغييرات على هذه الدورات، الجدير بالذكر منهادورة أتكينسونودورة ميلر. اختلفتدورة ديزلبشكل ما عن تلك الدورات.
تقوم محركات الدورة المجزاة بفصل الأشواط الأربعة: السحب والانضغاط والاحتراق وطرد العادم فيأسطوانتينمنفصلتين لكنهما مرتبطين ببضعهما. تُستخدمالأسطوانةالأولى للسحب والانضغاط، ثم يُمرر الهواء المضغوط خلال ممر عرضي منأسطوانةالانضغاط للأسطوانة الثانية، حيث يحدث الاحتراق وطرد العادم. يعتبرمحرك الدورة المجزأةضاغط هواءعلى جانبوغرفة احتراقعلى الجانب الآخر.عانت محركات الدورة المجزأة السابقة من مشكلتين رئيسيتين: سوءالكفاءة الحجميةوانخفاضالكفاءة الحرارية، وعلى الرغم من ذلك، فإن التصاميم الجديدة تسعى لمعالجة على تلك المشكلات.
عالجمحرك سكوديريمشكلةالكفاءة الحجميةبتقليل حجم التسامح بينالمكبسورأس الأسطوانة، باستخدام أساليب شحن توربينية مختلفة. يتطلب تصميم سكوديري استخدامأسطواناتتُفتح للخارج حتى يسمحللمكبسبالتحرك لأقرب ما يمكن منرأس الأسطوانة، دون التأثير على الصمامات. كما عالج سكوديري مشكلة انخفاضالكفاءة الحراريةباشعال الخليط بعد النقطة الميتة العليا.يُمكن إجراءالإشعال بعد النقطة الميتة العلياباستخدام هواء مرتفع الضغط في ممر العبور بينالأسطوانات، وذلك لخلق تدفق بسرعة الصوتواضطرابشديد للمائع فيأسطوانةشوط القدرة.
تستخدمالمحركات النفاثةصفوف من الريش لضغط الهواء، ثم يدخل بعد ذلك لغرفة الاحتراق حيث يتم خلطه بالوقود واشعاله (يُستخدم وقود جي بي عادة). يؤدي احتراق الوقود إلى رفعدرجة حرارةالخليط فيدخل على صفوف من الريش (التربينة) ليتم استخراجشغلمنه لتشغيلالضاغطثم يُطرد الهواء من المحرك مولداًقوة دفع. يُمكن أن يعملالمحرك التوربيني المروحيبكفاءةمرتفعه تصل إلى 48%.
يوجد 6 أجزاء تكونالمحرك النفاث التوربيني المروحي(بالإنجليزية:Turbofan Enggine)‏}:
تقومالتربينة الغازيةبضغط الهواء واستخدامه لتدويرالتربينهبعد إضافة الوقود إليه. يُمكن اعتبارها أنهامحرك نفاثلكنه يقوم باستخدامشغلهالناتج في تدوير عمود.يوجد ثلاث مراحل فيالتربينة:
تُعتبرالتربينة الغازيةألة دوارة مشابهةللمحرك البخاريفي مبدأ العمل (استخدام غاز ساخن)، وتتكون من ثلاثة أجزاء:ضاغطوغرفة احتراق وتربينة. يُسخن الهواء بخلطه بالوقود وحرقه وذلك بعد ضغط الهواء أولاً بواسطةضاغط. يتمدد خليط الهواء الساخن ونواتج الاحتراق في التربينة لتنتج شغل. يًستهلك حوالي ثلثي (3/2)شغلالتربينة في تشغيل الضاغط، بينما يًستفاد بالثلث الأخر.
تدخلالتربينات الغازيةضمن أكثر محركات الاحتراق الداخلي كفاءة. تبلغ الكفاءة الاسمية لتربينات جينرال إليكتريك 7 إتش ايه و9 إتش ايه المستخدمة في المحطات الكهربائية ذاتالدورة المركبة، أكثر من 61%.
تُعتبرالتربينة الغازيةألة دوارة مشابهةللمحرك البخاريفي مبدأ العمل (استخدام غاز ساخن)، وتتكون من ثلاثة أجزاء:ضاغطوغرفة احتراقوتربينة. يًضغط الهواء بواسطةالضاغطفيرتفعضغطهودرجة حرارته. يُسخن الهواء المضغوط أكثر عن طريق خلطه بالوقود وحرقه في غرفة الاحتراق. يتمدد خليط الهواء ونواتج الاحتراق بعد ذلك في التربينة، فتستخرج الطاقة منه وتستخدم جزءاً منها لتشغيل الضاغط. تخرج الطاقة المتبقية في الغازات الساخنة لتولدقوة دفع.
تًستخدم محركاتالتربينة الغازيةنظام احتراق متواصل، حيث يحدث الانضغاط والاحتراق والتمدد في نفس الوقت في أجزاء مختلفة من المحرك، فتعطي بذلكقدرةمتواصلة. يحدث الاحتراق فيدورة برايتونبثبوت الضغط بدلاً من ثبوت الحجم مثلما يحدث فيدورة أوتو.
لا يحتويمحرك فانكل(محرك دوار) على أشواط مكبسية، لكنه يعمل على نفس أطوارالمحرك رباعي الأشواط(السحب والانضغاط والإشعال وطرد العادم)، ويحدث كل طور في موضع منفصل في المحرك. يتبع المحركدورة أوتوطبقاًللديناميكا الحرارية، لذلك يمكن أن يطلق عليه محرك «أربع أطوار». يحدث شوط قدرة واحد فعلياً مع كل دوران للعضو الدوار، رغم أن نظرياً يحدث ثلاثة أشواط قدرة مع كل دورة للعمود وذلك بسبب نسبة دوران العضو الدوار إلى العمود اللامركزي والتي تساوي 1:3. يدور العمود القائد (العمود اللامركزي) دورة واحدة خلال كل شوط قدرة بدلاً من دورتين (مثل عمود المرفق في المحركات المكبسية)، كما هو الحال في دورة أوتو، ليعطي بذلك نسبة قدرة إلى وزن أكبر من المحركات المكبسية. لُوحظ استخدام هذا النوع من المحركات فيسيارةمازدا أر إكس-8ومازدا أر إكس-7وطرازات أخرى للسيارة. استُخدم المحرك أيضاً فيالطائرات بدون طيار، حيث يكون الحجم الصغير والوزن المنخفض وارتفاع نسبة القدرة إلى الوزن مميزات مطلوبة.
تًسمى عملية توصيل الهواء المضغوط لمدخل محرك الاحتراق الداخلي بالسحب القسري (بالإنجليزية:Forced induction)‏. يستخدم المحرك ذو السحب القسريضاغط غازلزيادةضغطودرجة حرارةوكثافة الهواء. يُسمى المحرك الذي لا يستخدم السحب القسريبمحرك التنفس الطبيعي.
يُستخدم السحب القسري في صناعةالسياراتوالطيرانلزيادةقدرةوكفاءةالمحرك. يساعد السحب القسريمحركات الطائراتبوجه خاص، نظراً لحاجتها للعمل عند ارتفاعات مرتفعة.يتم السحب القسري باستخدامشاحن توربيني فائق، حيث يتصل ضاغطه بعمود المحرك مباشرة، أو باستخدامشاحن توربينيحيث تُشغل تربينته بغازات العادم الناتجة من المحرك.
تعتمد جميع محركات الاحتراق الداخلي علىاحتراقوقود كيميائيفي وجودأكسجينمنالهواء الجوي(يمكن حقنأكسيد النيتروزأيضاً لرفع كفاءة الاحتراق وزيادة القدرة). يصاحب عملية الاحتراق إنتاج كمية كبيرة منالحرارةبالإضافة إلى البخاروثاني أكسيد الكربونومواد كيميائية أخرى عنددرجات حرارةمرتفعة جداً. تتحدددرجة الحرارةبناءاً علىالتركيب الكيميائيللوقود المستخدموالمواد المؤكسدة، بالإضافة إلى الانضغاط وعوامل أخرى.
تتكون معظم أنواعالوقودالشائعة منالهيدروكربوناتوتُشتق منالوقود الحفري(البترول). يشملالوقود الحفريكل منالديزلوالبنزينوالغاز النفطي المسال، واستخدام نادر لغازالبروبان. تستطيع معظم محركات الاحتراق الداخلي المصممة لاستخدامالبنزين، أن تعمل بواسطةالغاز الطبيعيأوالغازات النفطية المسالةبدون أي تعديلات أساسية، باستثناء المكونات الموصلة للوقود. تستطيعمحركات الديزلالكبيرة أن تعمل باستخدام خليط من الهواء والغازات وحقن وقود الديزل للإشعال. يُمكن استخدامالوقود الحيويالسائل والغازي أيضاً، مثلالايثانولوالديزل الحيوي(الديزل الحيوي هو نوع من وقود الديزل يُنتج من المحاصيل الزراعية التي تحتوي علىدهون ثلاثيةمثلزيت فول الصويا). تستطيع المحركات إن أُجري عليها بعض التعديلات أن تستخدم غازالهيدروجينوالغازات الناتجة عن حرق الفحم والخشب، بالإضافة إلىغاز المولداتالمصنوع من أنواع مناسبة من الوقود الحيوي. أًجريت تجارب باستخدام مسحوق وقود صلب مثلدورة حقن الماغنيسيوم.
تتضمن أنواع الوقود المستخدمة الآن:
استُخدمت المساحيق المعدنية المميعة والمواد المتفجرة أيضاً. يُطلق على المحركات التي تستخدم الغازات كوقود: المحركات الغازية، وتُسمى المحركات المستخدمةللهيدروكربونات السائلة: المحركت النفطية، ومع ذلك، يُطلق أيضاً علىمحركات البنزيناسم «المحركات الغازية» (يُطلق عليها محركات البترول خارج أمريكا الشمالية).يجب أن يتوافر في الوقود الشروط التالية:
إنمحركات الديزلأثقل عموماً وأكثر ضوضاءاً وأكثر إنتاجاًللقدرةمنمحركات البنزينعند السرعات المنخفضة. توفرمحركات الديزلمزيداً من الوقود أيضاً في معظم الحالات، وتُستخدم في مركبات الطريق الثقيلة وبعضالسيارات(يزداد استخدامها في السيارات بسبب كفاءة وقودها المتزايدة عنمحركات البنزين)والسفنوقاطراتالسكك الحديدية،والطائرات الخفيفة. تُستخدممحركات البنزينفي معظم مركبات الطرق الأخرى، ويشمل ذلك معظم السياراتوالدراجات الناريةوالدراجات البخارية. سيطرت سيارات محركات الديزل على 45% من السوقالأوربيمنذ التسعينيات. يوجد أيضاً محركات تعمل باستخدام الهيدروجين والميثانولوالإيثانولوالغاز النفطي المسالوالديزل الحيويوالكيروسينوزيت الجرارات المتبخر.
قديستبدل الهيدروجين أخيراً الوقود الأحفوريفي محركات الاحتراق الداخلي التقليدية، وربما تأتيخلايا الوقودبحل بديل فينتهي استخدام محركات الاحتراق الداخلي.
توجد طرق متعددة لإنتاج الهيدروجين الحر، لكن هذه الطرق تتطلب تحويل الجزيئات القابلة للاشتعال إلىهيدروجينأو استخدامطاقة كهربية. لا يقدم الهيدروجين حلاً لأيا منأزمات الطاقة، إن لم تتوفر هذهالطاقة الكهربائيةمنمصدر متجددولا تكون مطلوبة للاستخدام في أغراض أخرى. يعتبرتخزين الهيدروجينأحد سلبياته بالنسبة للوقود الكربوني في كثير من الحالات.للهيدروجين السائلكثافةمنخفضة جداً (أقل من كثافة الماء بمقدار 14 مرة)، ويتطلب عزل كبير، بينما يتطلبالهيدروجين الغازيخزانات ثقيلة. يحتوي الهيدروجين علىطاقة نوعيةمرتفعة حتى عند إسالته، لكنكثافة الطاقة الحجميةله مازالت أقل منالبنزينبمقدار 5 مرات. تعتبركثافة الطاقةللهيدروجين مرتفعة عن تلك التي تحتويهاالبطاريات الكهربائيةبالرغم من ذلك، مما يجعله منافس قوي لاستبدالالوقود الأحفوري. يتم إنتاج الهيدروجين حسب الطلب، لكن عملية الإنتاج (انظر خلية وقود البوروهيدريد المباشرة) تتضمن مشاكل من بينها ارتفاع سعربوروهيدريد الصوديوم، الذي يعتبر المادة الخامة.
يُستخدمأكسجينالهواء الجويكمادة مؤكسدهنظراً لتوافر الهواء وعدم الحاجة لتخزينه في المركبة. يؤدي هذا إلى زيادة نسبة القدرة إلى الوزن ونسبة القدرة إلى الحجم. تُستخدم مواد أخرى لأغراض أخرى، تكون في الغالب لزيادة القدرة الناتجة أو للاستخدام تحت الماء أو فيالفضاء.
يجب تبريد المحرك لازالةالحرارةالزائدة حتى لا تتسبب في تعطل المحرك أو تمزق أجزائه (بسبب الحرارة الناتجة نتيجة فشل التزييت) أو تصدعها أو تشوهها. يعتبرالتبريد بالماءوالتبريد بالهواءهم أكثر طرق التبريد شيوعاً. تستخدم معظمالسياراتالحديثة التبريد بالماء والهواء معاً، حيث يُستخدم الماء لتبريد الزعانف والمراوح بالهواء، بينما قد تُبرد المحركات الكبيرة بالماء فقط، حيث تكون ثابتة ولديها إمداد مياه ثابت من خلال أنابيب مياه أومياه عذبة، بينما تُبرد معظم محركات الأدوات الكهربائية ومحركات صغيرة أخرى بالهواء. تستخدم بعض المحركات (تُبرد بالمياه أو بالهواء)التبريد بالزيتأيضاً. يُستخدم الوقود كمبرد في بعض المحركات، خاصةلتبريد ريش المحركات التوربينيةوالتبريد الاسترجاعيلمحركات الصواريخ، حيث يُسخن الوقود قبل حقنه فيغرفة الاحتراق.
يجب أن تحتوي محركات الاحتراق الداخلي على وسيلة لبدء دورة الاحتراق. يحدث هذا في المحركات الترددية بتدويرعمود المرفق(أو العمود الدوار في حالةمحرك فانكل) فيبدأ دورة الاحتراق. كانت المحركات الأولى يبدأ تشغيلها باستخدامحدافةملحقة بالمحرك، بينما كانت دايملر ريتواجن أول مركبة تبدأ بواسطة عمود مرفق يدوي. كانت السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي يبدأ تشغيلها باستخدام عمود مرفق يدوي، حتى طورتشارلز كيترنجمحرك بدء الحركة الكهربيللسيارات.
يُعتبرمحرك بدء الحركة الكهربيهو الطريقة الأكثر استخداماً اليوم لبدء تشغيل محركات الاحتراق الداخلي، بينما يُستخدمنظام بدء الحركة الهوائيفيمحركات الديزلالكبيرة.
يُستخدم الهواء المضغوط كطريقة أخرى لبدء التشغيل، حيث يتم ضخه في بعضأسطواناتالمحرك لبدء تشغيلها.يمكن بدء تشغيل المركبات ذات الاطارين بأربع طرق:
يوجد أيضاً أنظمة بدء حركة عن طريق ضغطزنبركبواسطة حركة دورانية ثم استخدامه لبدء تشغيل المحرك. تستخدم بعض المحركات الصغيرة إليه بدء حركة عن طريق شد حبل يرتد لموضعه مرة أخرى بعد خروجه بالكامل.يبدأ تشغيلالمحركات التوربينيةعادة باستخدام محركات كهربية أو باستخدام الهواء.
تختلف أنواع المحركات من حيث الأداء بناءاً على عدة عوامل:
تُطلق نواتجالاحتراقطاقة حراريةأكبر من تلك التي يحتويها خليط الوقود والهواء المضغوط (يحتوي خليطالوقودوالهواءطاقة كيميائيةأكبر، تتحول إلىطاقة حراريةعند الاحتراق). تظهر الطاقة المتاحة في شكلدرجة حرارةمرتفعةوضغطمرتفع، تُستخدم لإنتاجشغلبواسطة المحرك. تقودالغازات مرتفعة الضغط الموجودة فيالأسطوانات،مكابسالمحرك.يتم التخلص من الغازات الساخنة المتبقية بعد استهلاك طاقتها (بفتح صمام العادم) ويسمح ذلك بعودةالمكبسلموضعه السابق (النقطة الميتة العليا). يُمكن أن يبدأالمكبسالشوط التالي من دورته، والذي يختلف بين المحركات. تُصنف أيحرارةلا يتم تحويلها لشغل كطاقة مفقودة، ويتم التخلص منها بواسطة نظام التبريد سواء كان بالهواء أو بالماء.
تُعتبر محركات الاحتراق الداخليمحركات حرارية، ويُمكن تقدير كفاءتها النظرية باستخدامالدورات الديناميكية الحراريةالمثالية. لا يمكن أن تزيدالكفاءة الحراريةللدورة النظرية عن كفاءةدورة كارنوت، والتي تتحدد كفائتها بالفرق بين أعلى وأقل قيمة لمدى درجات حرارة التشغيل للمحرك. تُحدددرجة حرارة التشغيلالعليا للمحرك بواسطة عاملين: الحدود الحرارية التشغيلية للمواد (مدى تحملها) ومدى مقاومة الوقود للإشعال الذاتي. هناك حدود حرارية لجميعالمعادنوالسبائك، وهناك بحث تم على الموادالخزفيةالتي يُمكن أن تُصنع باستقرار حراري أكبر وخواص مرغوبة في المادة. يسمح الاستقرار الحراري المرتفع للمادة باستخدام فرقدرجات حرارةأكبر بين درجة حرارة التشغيل العليا والسفلى، مما يؤديلكفاءة حراريةأكبر. يُصبح المحرك أكثر عُرضة للإشعال الذاتي أيضاً بارتفاع درجة حرارةالأسطوانة، ويحدث هذا عندما تقترب درجة حرارةالأسطوانةمن درجة حرارة الإشعال الذاتي للشحنة (نقطة الوميض). يُمكن أن يحدث الإشعال تلقائياً عند هذه النقطة قبل أن تطلقشمعة الاشعالالشرارة، مما يرفع الضغط فيالأسطوانةبدرجة كبيرة. يُمكن تخفيف أثر الإشعال الذاتي أو تأخير حدوثه باستخدام أنواع وقود ذات مقاومة مرتفعة للإشعال الذاتي (رقم أوكتانمرتفع)، ومع ذلك يبقى محدوداً بدرجة الحرارة القصوى التي تستطيع الأسطوانة تحملها.
تفرض القيودالديناميكية الحراريةأن المحرك يعمل في ظروف مثالية: لا يوجد احتكاك، ويستخدم غازات مثالية وعوازل مثالية، ويعمل لوقت غير محدود. تأتي التطبيقات الواقعية بتعقيدات تقلل الكفاءة، على سبيل المثال: يعمل المحرك بأفضل شكل عند حمل نوعي يُعرف باسمنطاق القدرة. يعمل محرك السيارة عادة عند ظروف أقل من الظروف المثالية، نظراً لتصميمه للأحمال المرتفعة المطلوبة للتسارع المفاجئ، بالإضافة لذلك، تقلل عوامل أخرى مثلمقاومة الرياحالكفاءة الكلية للنظام. يُقاساستهلاك الوقودبالميل لكل جالون أو بعددلتراتالوقود لكل 100 كم. يفرض حجم الهيدروكربون محتوى حراري قياسي.
يبلغالقيد الديناميكي الحراريلمعظم المحركات المصنوعة منالحديد37%. تحقق معظم المحركاتكفاءةمتوسطة حوالي 18-20%، حتى عند تزويدها بشواحن توربينية ووسائل تحسين الكفاءة. حققت أحدث التقنيات المستخدمة فيمحركات فورميلا 1زيادة فيالكفاءة الحراريةلتصل إلى 47% تقريباً.تحققالمحركات الصاروخيةكفاءات أفضل تصل إلى 70%، بسبب عملها عنددرجات حرارةوضغوط مرتفعة جداً ويمكن أن تستخدم نسب تمدد مرتفعة جداً أيضاً.مازالتالمحركات الكهربائيةهي الأفضل من حيث الكفاءة، حيث تتراوح كفاءتها بين 85-90% أو أكثر، لكنها تعتمد على مصدر طاقة خارجي (يكون عادة محرق احتراق داخلي فيمحطة طاقة، يخضع لنفس القيود الديناميكية الحرارية من حيث الكفاءة). تعتبر تربينات محطات الطاقة الكبيرة أكثر كفاءة وأقل تلويثاً من محركات الاحتراق الصغيرة الموضوعة في المركبات.
يوجد العديد من الاختراعات التي هدفت لزيادة كفاءة محركات الاحتراق الداخلي. تقوم المحركات العملية عموماً بتغيير خواص المحرك المختلفة مثل الكفاءة والوزنوالقدرةوالحرارة والاستجابة وانبعاثات العادم أو الضوضاء، على حساب بعضها البعض. يكون للاقتصاد دور أحياناً، ليس فقط في تكلفة تصنيع المحرك ولكن تصنيع وتوزيعالوقودأيضاً. تؤدي زيادة كفاءة المحرك للحصول علىاستهلاك وقودأفضل إن كانت فقط تكلفة الوقود بالنسبة للمحتوى الحراري ثابتة.
يُقاس استهلاك الوقود للمحركات الثابتة والمحركات ذات الأعمدة الدوارة بما فيهاالمحركات ذات المراوح الدافعهعن طريق حساب الاستهلاك النوعي للوقود الفرملي، والذي يُقاس بقسمة معدلكتلةالوقود المستهلكة علىالقدرةالمنتجة.تتغير سرعة الهواء بشكل جذري مع القدرة الناتجةللمحركات النفاثة، ولذلك يُستخدم قياس أقل تغيراً ويُسمى الاستهلاك النوعي للوقود الدافع، ويتم قياسه بحساب كتلة المادة اللازمة لتوليد نبضات دافعة تُقاس إما بالباوند-ساعة أو كميةجراماتالمادة الدافعة اللازمة لتوليد نبضة دافعة مقدارها واحد كيلونيوتن-ثانية.يُمكن استخدام الاستهلاك النوعي للوقود الدافع فيالصواريخ، ولكن يُستخدم عادة مقياس أكثر شيوعاً مثلالدفعة النوعيةأو سرعة العادم الفعالة.
ينتج عن محركات الاحتراق الداخلي مثل المحركات المكبسية انبعاثات تلوث الهواء، بسبب الاحتراق الغير كامل للوقودالكربوني. تتكون الانبعاثات الأساسية منثاني أكسيد الكربونوالماءوبعضالسُخامالذي يُطلق عليه أيضاًالمادة الهبابية. تم دراسة تأثير استنشاق هذه المادة الهبابية على الإنسان والحيوان، وكانت النتيجة تسببها بأمراضالربووسرطان الرئةوأمراض القلب والأوعية الدمويةوالموت المبكر. يوجد أيضاً بعض نواتج الاحتراق الاضافية مثلأكاسيد النيتروجينوالكبريت، وبعضالهيدروكربوناتغير المحترقة، ويعتمد تركيز هذه النواتج على ظروف تشغيل المحركونسبة الوقود إلى الهواء.
لا يُستهلكالوقودبالكامل خلال عملية الاحتراق، لكن تبقى كمية صغيرة منه بعد الاحتراق، تؤدي إلى تكون مركبات غنية بالأكسجين مثلالفورمالديهايدأوالأسيتالدهيد، أوهيدروكربوناتلم تكن موجودة في تركيب خليط الوقود. يحدث الاحتراق الغير كامل بسبب كميةالأكسجينالغير كافية لتحقيق معدلالتكافؤ(بالإنجليزية:stoichiometric ratio)‏ المثالي. يُخمد اللهب بواسطة جدرانالأسطوانةالباردة، ويترك جزيئات وقود غير محترقة تُطرد مع العادم. تُلاحظ عملية إخماد اللهب عادة عند تشغيلمحركات الديزلالتي تعملبالغاز الطبيعيعند سرعات منخفضة، حيث يؤدي إخماد اللهب إلى خفض الكفاءة وزيادة حدوث الطقطقة فيالأسطوانات، والتي قد تتسبب بتوقف المحرك أحياناً. ينتج أيضاً عن الاحتراق الغير مكتمل انبعاثأول أكسيد الكربونومركبات كيميائيةأخرى مثلالبنزينوالبوتادينوالتي تُعتبر ملوثات خطرة للهواء.
يؤدي زيادة كمية الهواء في المحرك إلى تقليل انبعاثات نواتج الاحتراق الغير مكتمل، لكنه أيضاً يسمح بتفاعلالأكسجينمعالنيتروجينالموجود في الهواء فتتكونأكاسيد النيتروجين. تُعتبرأكاسيد النيتروجينمركبات خطرة على كل من كوكب الأرض وصحة الحيوانات، حيث أنها تؤدي إلى تكونالأوزون. لا ينبعث الأوزون مباشرة، لكنه يعتبر ملوث ثانوي للهواء، ويتكون في الهواء الجوي عند تفاعلأكاسيد النيتروجينمعالمركبات العضوية المتطايرةفي وجود أشعة الشمس. إن وجودالأوزونعلى الأرض يُضر بصحة البشر والبيئة، ولايتعارض هذا مع أوزون الغلاف الجوي أوطبقة الأوزونالتي تحمي الأرض منالأشعة فوق البنفسجيةالضارة.
يحتوي الوقود الكربوني علىالكبريتوشوائب تؤدي في النهاية إلى تكونأول أكسيد الكبريتوثاني أكسيد الكبريتفي غازات العادم، مما يتسبب في حدوثالمطر الحمضي.
تُحددأكاسيد النيتروجينوالمادة الهبابيةوأول أكسيد الكربونوثاني أكسيد الكبريتوالأوزونعلى أنهامعايير ملوثات الهواءبناءاً علىقانون الهواء النظيففي الولايات المتحدة الأمريكية، وتحدد النسب المسموح بها من هذه المواد لحماية صحة الإنسان. تُحدد ملوثات أخرى مثلالبنزينوالبوتادينكملوثات خطرة للهواء الجوي (انظرالمعايير الوطنية لانبعاثات ملوثات الهواء الخطرة)، يجب خفض انبعاثاتها قدر ما يمكن بالاعتماد على التقنيات والاعتبارات العملية.
يُتحكم في انبعاثاتأكاسيد النيتروجينوأول أكسيد الكربونوالملوثات الأخرى بإعادة استخدام غاز العادم، حيث يُعاد جزء منه إلى مدخل المحرك، وتُستخدمالمحولات الحفزيةأيضاً لتحويل المواد الكيميائية الموجودة في العادم إلى مواد كيميائية غير ضارة.
تحتوي معايير الانبعاثات التي تستخدمها العديد من الدول على متطلبات خاصة للمحركات الغير مستخدمة في على الطرق، والتي تُستخدم بواسطة المعدات والمركبات التي لا تعمل على الطرقات العامة. تختلف معايير هذه المحركات عن المعايير المستخدمة مع محركات مركبات الطرق.
تُساهم محركات الاحتراق الداخلي بقدر كافي فيالتلوث الضوضائي. تصدر الضوضاء منسياراتوشاحناتالطرق السريعة. كما تصدر ضوضاء أيضاً عنالطائرات النفاثةخصوصاً الطائرات المتجاوزةلسرعة الصوت. تسببمحركات الصواريخضوضاء أيضاً.
تستمر محركات الاحتراق الداخلي باستهلاك الوقود وانبعاث الملوثات عندما لا يُستفاد من الشغل الناتج منه، مثل حالات تشغيل المحرك أثناء توقف السيارة، للذلك يجب خفض فترات تشغيل المحرك بدون فائدة لأقل ما يمكن. تُوصي العديد من شركات الحافلات الآن، سائقيها بضرورة وقف تشغيل المحرك أثناء توقف الحافلة في محطات الانتظار.
أُصدرت لائحة عقوبة للتحكم في انبعاثات المركبات على الطرق فيإنجلترافي عام 2002 (انظر:قائمة الوثائق القانونية في المملكة المتحدة لعام 2002).اعتبرت اللائحة أن استخدام محركات المركبات بدون فائدة يعد جريمة. ونصت اللائحة على أنه «في حالة تشغيل السائق لمحرك المركبة بدون فائدة، يقوم أحد أفراد السلطة مع إبراز أوراق إثبات سلطته، بالطلب من السائق غلق المحرك، وإن لم يستجيب السائق يتعرض لغرامة لا تزيد عن المستوى الثالث». قامت بعض السلطات المحلية فقط بتطبيق هذه اللائحة، من بينها المجلس المحلي لمدينةأكسفورد.