機関の運転は大気質ならびに周囲の騒音レベルに対して悪影響を及ぼす。自動車の動力系が汚染を引き起こすことはますます重視されてきている。そのため、代替動力源と内燃機関の改良に対して新たな関心が向いている。いくつかの限定生産の電池式電気自動車が登場しているものの、費用と動作特性のために優位性があるとは示されていない。21世紀、ディーゼル機関に対する自動車所有者の人気が高まっている。しかしながら、排気を向上させるための新たな排出制御装置を有するガソリン機関およびディーゼル機関は、まだそれほど挑戦されていない。数多くの製造業者が主にガソリン機関と電気モーターを組み合わせ大容量蓄電池群を持つハイブリッド機関を導入しているが、これらもソリン機関ならびにディーゼル機関の市場占有率にはそれほど食い込んでいない。
外燃機関は、壁面あるいは熱交換器を通して外部源の燃焼によって内部の作動流体が熱せられる熱機関である。流体は次に膨張し機関の機構に作用することによって運動と使用可能な仕事を生産する。流体は次に冷却、圧縮、再利用（密閉サイクル）されるかあるいは（一般的ではないが）捨てられ、冷えた流体が注入される（開放サイクル空気機関）。「燃焼」は、熱を供給するための酸化剤を用いて燃料を燃やすことを意味する。同様（あるいは同一）の形態および動作の機関は、核、太陽光、地熱、燃焼を伴わない発熱反応といったその他の熱源からの熱の供給を利用することができる。しかし、これらは厳密には外燃機関ではなく、外部熱機関に分類される。作動流体は、スターリング機関では気体、蒸気機関では蒸気、有機ランキンサイクルではn-ペンタンといった有機液体でもよい。流体はどんな組成でもよい。気体がこれまでのところ最も一般的であるが、単相の液体が使われることもある。蒸気機関の場合は、流体は液体と気体の間で相が変化する。
内燃機関は、燃焼室内で燃料（一般的に化石燃料）の燃焼が酸化剤（大抵は空気）と共に起こる機関である。内燃機関において、燃焼によって生産される高温・高圧気体の膨張は、ピストンあるいはタービン翼あるいはノズルといった機関の部品に直接的に力を加え、それを移動させることによって、有用な力学的エネルギーを生成する。
ヨーロッパで好まれる設計方針は、より小さく曲がりくねった道路といった経済的およびその他の制約のために、より小型の車ならびにより小型の機関の燃焼効率を高めることに集中した設計方針に相当するものに傾いた。これにより、初期の40馬力（30 kW）の4気筒設計経済的な機関や80馬力（60 kW）と出力の低い6気筒設計を持つより経済的な機関が生産された。それと比較すると、大型のV-8アメリカ製機関は、250-350馬力、時には400馬力を超える出力であった。
20世紀の前半は、特にアメリカ製モデルで機関出力が増大する傾向を見た。効率を向上させるための気筒内の圧力の増大、機関の大きさの増大、そして機関が仕事を生み出す速度の増大を含む機関の排気量を挙げるための知られている全ての方法が設計変更に組み入れられた。これらの変更によって作り出されるより高い力と圧力は、機関の振動と大きさの問題を生み出し、これによって（それまでの直列形配置を置き換える）V字あるいは対向形に気筒が配置されたより硬く、よりコンパクトな機関が作られることとなった。
自動車で内燃機関が使用され続けたのは、部分的には機関制御システム（機関管理プロセスと燃料噴射の電子的制御を提供する搭載コンピュータ）の改良によるものである。ターボ過給および過給による強制的空気取り入れは出力と機関効率を向上させてきた。同様の変更はより小さなディーゼル機関にも適用され、ガソリン機関とほぼ同じ出力特性がディーゼル機関でも実現された。これはヨーロッパにおいて小型のディーゼル機関駆動車が人気を博していることから特に明白である。より大型のディーゼル機関はほとんどの工場では利用不可能な特殊機械加工を必要とするものの、今でもトラックや重機でしばしば使用されている。ディーゼル機関はガソリン機関よりも炭化水素とCO₂の排出量が少ないが、粒子状物質とNOx汚染はより大きい。ディーゼル機関は比較できるガソリン機関よりも燃料効率が約40%高い。
1896年、カール・ベンツは水平対向ピストンを持つ初のエンジンの設計の特許を取得した。ベンツの設計では、対応するピストンが水平の気筒中を移動し、同時に上死点に到達する。ゆえに、個々の運動量に関して互いに自動的に釣り合いが取れる。この設計の機関はその形状と低い姿勢のためしばしばフラットエンジンと呼ばれる。フラットエンジンはフォルクスワーゲン・ビートルや、一部のポルシェ車およびスバル車、多くのBMWおよびホンダのオートバイ、航空機用エンジンで過去あるいは現在用いられている。
カール・ベンツによって作られた初めて商業的に成功した自動車は、軽量で強力な機関に対する関心を増大させた。4ストロークオットーサイクルで作動する軽量ガソリン内燃機関が軽量自動車で最も成功を収めているのに対して、より効率的なディーゼル機関はトラックおよびバスで使われている。しかしながら、近年は、ターボディーゼル機関が人気を増してきている。
1824年6月24日マインツに生まれる。父はプロイセン軍医のJohann Benjamin Müller、母はEleonoreである。父が1833年ザールルイへ転任したため、レオポルトはそこのギムナジウムに通った（1836年から1842年）。1842年ボン大学の医学校に入学したが、再び父の転任に伴い1844年にベルリンのフリードリヒ・ヴィルヘルム内科外科学校(medizinisch-chirurgischen Friedrich Wilhelms-Institut)に移る。ここはペピニエール(Pépinière)という別名で知られており、卒業後に一定年数を軍医として働く代わりに有給で医学教育が受けられる医学校であった。1847年2月にベルリンの大学病院シャリテの研修医となり、5月28日に内科および外科のドクトルを取得（学位論文は『脳脊髄液』）。1848年4月1日軍医となり、1849年に外科医および産科医の国試に合格。軍医少尉としてシュヴェートへ赴く。1850年オーストリアとの間で緊張が高まり総動員令が出たため第9戦地病院に配属。翌年に動員令が解除されてポツダムへ赴く。1853年にはフリードリヒ・ヴィルヘルム内科外科学校の講師となる。1855年シャリテの上医となり、眼科医の資格を得る。ミュルレルはプロイセンに800名ほどいる軍医として、この時まではごくありきたりのキャリアを重ねていた。