محرك احتراق داخلي

محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحترق بداخله وقود مع مؤكسد (عادة هواء) في غرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزء من دائرة سريان الوقود. يؤثر تمدد الغازات ذات الضغط ودرجة الحرارة المرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي، بقوة مباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة على المكابس وريش التربينة والفوهة الدافعة.
تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.
صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطة إتيان لينوار عام 1859 تقريباً، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطة نيكولاس أوتو (انظر دورة أوتو).
يشير مصطلح محرك الاحتراق الداخلي في العادة إلى أن عملية الاحتراق تتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلك المحركات المكبسية الأكثر شيوعاً رباعية الأشواط وثنائية الشوط، بالاضافة إلى المحرك سداسي الأشواط ومحرك فانكل الدوار.
يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل: التربينات الغازية والمحركات النفاثة ومعظم المحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي . تعتبر الأسلحة النارية من محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.
تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عن محركات الاحتراق الخارجي مثل المحركات البخارية ومحرك ستيرلينج، التي تحتوي على مائع تشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرق الفحم لتسخين المراجل للحصول على البخار اللازم (للمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل في مِرجل (غلاية)، ويُمكن أن يكون مائع التشغيل هواء أو مياه ساخنه أو مياه مضغوطه أو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق من الوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالاضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسي للمركبات مثل السيارات والطائرات والقوارب.
يعمل محرك الاحتراق الداخلي بالوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي، والمشتقات البترولية مثل البنزين والديزل وزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايد للوقود المتجدد مثل استخدام الديزل الحيوي في محركات الاشعال بالانضغاط، ووقود الميثانول في محركات الاشعال بالشرارة.

يُستخدم الهيدروجين أحياناً كوقود، ويُمكن الحصول عليه من الوقود الحفري أو من الطاقة المتجددة.
محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري يحترق بداخله وقود مع مؤكسد (عادة هواء) في غرفة الاحتراق، والتي تُعتبر جزء من دائرة سريان الوقود. يؤثر تمدد الغازات ذات الضغط ودرجة الحرارة المرتفعين الناتجة عن الاحتراق في محرك الاحتراق الداخلي، بقوة مباشرة على بعض مكونات المحرك. تُطبق هذه القوة على المكابس وريش التربينة والفوهة الدافعة.

تؤدي هذه القوة إلى تحريك الجزء الذي تُؤثر عليه لمسافة معينة نتيجة تحول الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانيكية.
صُنع أول محرك احتراق داخلي نجح تجارياً بواسطة إتيان لينوار عام 1859 تقريباً، وصُنع أول محرك احتراق داخلي حديث في عام 1876 بواسطة نيكولاس أوتو (انظر دورة أوتو).
يشير مصطلح محرك الاحتراق الداخلي في العادة إلى أن عملية الاحتراق تتم بشكل متقطع (أي أنها تحدث كل فترة وليست مستمرة بشكل متصل)، ومثال على ذلك المحركات المكبسية الأكثر شيوعاً رباعية الأشواط وثنائية الشوط، بالاضافة إلى المحرك سداسي الأشواط ومحرك فانكل الدوار.

يستخدم نوع آخر من محركات الاحتراق الداخلي عملية احتراق متصلة، مثل: التربينات الغازية والمحركات النفاثة ومعظم المحركات الصاروخية، كل منها يندرج تحت تصنيف محركات الاحتراق الداخلي . تعتبر الأسلحة النارية من محركات الاحتراق الداخلي أيضاً.
تختلف محركات الاحتراق الداخلي اختلافاً طفيفاً عن محركات الاحتراق الخارجي مثل المحركات البخارية ومحرك ستيرلينج، التي تحتوي على مائع تشغيل يحصل على الطاقة من مصدر خارجي (مثال: حرق الفحم لتسخين المراجل للحصول على البخار اللازم للمحرك البخاري) ولا يكون المائع جزءاً من نواتج الاحتراق أو مختلطاً معها. يًسخن مائع التشغيل في مِرجل (غلاية)، ويُمكن أن يكون مائع التشغيل هواء أو مياه ساخنه أو مياه مضغوطه أو حتى الصوديوم السائل. تُشغل غالباً محركات الاحتراق الداخلي بوقود سائل مرتفع الطاقة ومشتق من الوقود الأحفوري. تستخدم معظم محركات الاحتراق الداخلي في التطبيقات المتنقلة بالاضافة للعديد من التطبيقات الثابتة، وًتعتبر مصدر الطاقة الأساسي للمركبات مثل السيارات والطائرات والقوارب.
يعمل محرك الاحتراق الداخلي بالوقود الأحفوري مثل الغاز الطبيعي، والمشتقات البترولية مثل البنزين والديزل وزيت الوقود. كما أن هناك استخدام متزايد للوقود المتجدد مثل استخدام الديزل الحيوي في محركات الاشعال بالانضغاط، ووقود الميثانول في محركات الاشعال بالشرارة.

يُستخدم الهيدروجين أحياناً كوقود، ويُمكن الحصول عليه من الوقود الحفري أو من الطاقة المتجددة.

أصل المصطلحات

كانت كلمة محرك (بالإنجليزية: Engine) (مأخوذه من الفرنسية القديمة، التي أخذتها من الكلمة اللاتينية "ingenium" والتي تعني "القدرة") في وقت ما تعني أي قطعة من الألة، الفهم الذي مازال مستمراً في المصطلحات مثل محرك الحصار، بنما تشير كلمة "موتور" (مأخوذه من اللاتينية "motor" وتعني "محرك") إلى أي ألة تنتج قدرة ميكانيكية. لا يُطلق على المواتير الكهربائية عادة لفظ "محركات"، بينما يُشار إلى محركات الاحتراق الداخلي بلفظ "مواتير" (يشير لفظ "محرك كهربي" (بالإنجليزية: Electric engine) إلى قاطرة كهربائية.).

يُشار إلى محرك الاحتراق الداخلي المركب في هيكل السفينة بلفظ "محرك"، بينما يُطلق على المحركات المركبة على سطح السفينة لفظ "مواتير".

التطبيقات

تعتبر المحركات المكبسية الترددية أكثر مصدر طاقة شيوعاً للمركبات البرية والمائية، مثل السيارات والدراجات النارية والسفن، وبدرجة أقل القاطرات (بعض القاطرات يعمل بالكهرباء لكن معظمها يستخدم محركات ديزل). تُستخدم محركات فانكل الدوارة في بعض السيارات والطائرات والدراجات النارية.
ظهرت محركات الاحتراق الداخلي في صورة التربينات الغازية أو محركات فانكل عندما نشأت الحاجة إلى نسب قدرة إلى وزن مرتفعة جداً. تستخدم الطائرات محركات الاحتراق الداخلي، حيث كانت تستخدم الأنواع القديمة المحركات الترددية، بينما تُستخدم المحركات النفاثة الآن، وتستخدم المروحيات محرك عمود دوران توربيني الذي يندرج مع المحرك النفاث ضمن أنواع التربينات الغازية. قد تستخدم طائرات الرحلات محرك احتراق داخلي منفصل كوحدة طاقة مساعدة. جُهز العديد من الطائرات الألية بمحركات فانكل.
تشغل محركات الاحتراق الداخلي مولدات كهربائية كبيرة تزود الشبكات الكهربائية بالطاقة. تتواجد المحركات في صورة تربينات غازية في دورة طاقة مركبة (تربينات غازية وتربينات بخارية) تتراوح قدرتها الكهربائية الناتجة من 100 ميجا وات إلى 1 جيجا وات. تُستخدم غازات عادم المحرك ذات درجة الحرارة المرتفعة في الغلي والتسخين الفائق للمياه لتشغيل التربينة البخارية، لذلك تكون كفاءة الدورة المركبة أكبر حيث تكون الطاقة المستفادة من الوقود أكثر من التي يُمكن الاستفاده بها في حالة التربينة الغازية فقط. تتراوح القيم المثالية لكفاءة الدورات المركبة من 50 إلى 60%. تُستخدم مولدات الديزل في نطاق أصغر كمصدر احتياطي للطاقة وكمصدر طاقة للمناطق التي لا يتوافر فيها شبكات كهربائية.
تُستخدم المحركات الصغيرة (محركات بنزين ثنائية الشوط عادة) كمصدر طاقة شائع لألات جز العشب والمناشير الكهربائية ومنفاخ أوراق الشجر وألات الغسل ذات الضغط العالي وزلاجات الجليد الألية والزلاجة المائية والمحركات الخارجية (محركات دفع القوارب) والدراجات والدراجات النارية.

التصنيفات

يوجد عدة طرق لتصنيف محركات الاحتراق الداخلي.

التركيب

تُعتبر حاوية المحرك هي قاعدة محرك الاحتراق الداخلي وتُصنع عادة من الحديد الزهر أو الألومنيوم. تحتوي حاوية المحرك على الأسطوانات بداخلها. تُوضع الأسطوانات في صف واحد (محرك مستقيم) أو في صفين (محرك مسطح أو محرك شكل V) أو ثلاثة صفوف (محرك شكل W) في المحركات التي تحتوي على أكثر من أسطوانة، وتوجد أشكال أخرى للمحرك يمكن استخدامها. تُستخدم محركات الأسطوانة الواحدة في الدراجات النارية وفي الألات ذات المحركات الصغيرة. تحتوي المحركات المبردة بالمياه على ممرات في حاوية المحرك يدور فيها مائع التبريد. تُبرد بعض المحركات الصغيرة بالهواء بدلاً من المياه، وتستخدم زعانف معدنية تبرز من حاوية المحرك لتبرده بانتقال الحرارة مباشرة إلى الهواء. تُجلح جدران الأسطوانة في النهاية بشكل متقاطع (بالإنجليزية: Cross hatch finish) حتى تحتفظ بالزيت. إذا كان جدار الأسطوانة خشن جداً، سيؤدي ذلك إلى تآكل المكبس بسرعة مما يسبب الضرر إلى المحرك.
المكابس هي أجزاء أسطوانية تتعرض من جهة واحدة في الأسطوانة لخليط مرتفع الضغط من الهواء المضغوط والغازات الناتجة عن الاحتراق، وتتحرك المكابس منزلقة داخل الأسطوانات باستمرار خلال عمل المحرك. يُسمى الجدار العلوي للمكبس برأس المكبس (بالإنجليزية: Crown) ويكون عادة مسطح أو مقعر. تستخدم بعض المحركات ثنائية الشوط رأس مكبس منحرف. تكون المكابس مفتوحة ومجوفة من أسفل فيما عادة الهيكل الخارجي لها. عندما يعمل المحرك يُؤثر ضغط الغازات الناتجة من غرفة الاحتراق بقوة على رأس المكبس، تنتقل منه إلى الهيكل الخارجي ثم إلى مسمار المعصم (المسمار الذي يربط ذراع التوصيل بالمكبس). يحتوي كل مكبس على حلقات مثبتة حوله لتمنع تسرب الغازات من داخل الأسطوانة إلى علبة المرافق، وتمنع تسرب الزيت إلى غرفة الاحتراق. يتخلص نظام تهوية علبة المرافق من 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 الهواء والوقود في محركات البنزين ثنائية الشوط، ونتيجة للسريان المستمر للخليط لا تحتاج إلى نظام تهوية منفصل.
يتصل رأس الأسطوانة بحاوية المحرك بواسطة براغي (مثبتة) ومسامير مسننة كثيرة. يوجد عدة وظائف لرأس الأسطوانة، فهو يقوم بعزل الأسطوانات من الجهة المقابلة للمكابس، ويحتوي على أنابيب قصيرة للشحنة الداخلة ولغازات العادم ولصمامات الدخول التي تفتح لتمتلئ الأسطوانة بالهواء، وصمامات العادم التي تفتح لتسمح بطرد غازات العادم للخارج. تصل المحركات ثنائية الشوط، بالرغم من ذلك، فتحات الغاز مباشرة بجدار الأسطوانة بدون استخدام صمامات قفازية، حيث تتحكم المكابس بفتح وغلق هذه الفتحات أثناء العمل. تُثبت شمعة اشعال في رأس الأسطوانة أيضاً في محركات الاشعال بالشرارة، وكذلك يُثبت حاقن وقود في محركات الحقن المباشر. تستخدم كل محركات الاشعال بالانضغاط حقن الوقود، وغالباً تستخدم الحقن المباشر لكن بعض المحركات تستخدم الحقن غير المباشر أيضاً. يُمكن لمحركات الاشعال بالشرارة أن تستخدم مازج وقود أو حقن الوقود من خلال فتحة (بالإنجليزية: Port) أو حقن مباشر. تحتوي معظم محركات الاشعال بالشرارة على شمعة اشعال واحدة في كل أسطوانة، لكن بعض المحركات تحتوي على شمعتين في كل أسطوانة.
تمنع حشية رأس الأسطوانة تسرب الغاز بين رأس الأسطوانة وحاوية المحرك. يتم التحكم في فتح وغلق الصمامات عن طريق واحد أو أكثر من أعمدة الحدبة والزنبركات، بينما تستخدم بعض المحركات صمام متغير التحكم (بالإنجليزية:  Desmodromic valve ) لايستخدم أي زنبركات. يُمكن أن يضغط عمود الحدبة مباشرة على الصمام أو  على ذراع هزاز مباشرة أو من خلال عمود دفع.

تُعزل علبة المرافق من أسفل بتركيب حوض مجمع لتجميع الزيت المتساقط أثناء التشغيل لإعادة استخدامه مرة أخرى. يتواجد عمود المرفق في التجويف بين حاوية الأسطوانات والحوض المجمع، ويقوم بتحويل حركة المكابس الترددية إلى حركة دورانية. تُستخدم المحامل الرئيسية لتثبيت عمود المرفق بالنسبة لحاوية المحرك حتى يدور. تشكل الحواجز الموجودة في علبة المرافق نصف كل محمل رئيسي، ويكون النصف الاخر عبارة عن سدادة منفصلة على شكل قبعة. يُستخدم غطاء محمل رئيسي واحد في بعض الحالات بدلاُ من عدة سدادات صغيرة على شكل قبعة. يتصل ذراع التوصيل بأجزاء عمود المرفق المتباعدة (مسامير المرفق) من أحد نهايتيه، ومن نهايته الأخرى يتصل بالمكبس بواسطة مسمار المعصم، وهكذا يقوم بنقل وتحويل الحركة الترددية من المكابس إلى حركة دورانية في عمود المرفق. تُسمى نهاية ذراع التوصيل المتصلة بمسمار المعصم بالنهاية الصغيرة، وتُسمى النهاية الأخرى التي تصله بعمود المرفق بالنهاية الكبيرة. تكون النهاية الكبيرة عبارة عن نصفين منفصلين حتى تلتف على عمود المرفق، وتُثبت معه بواسطة براغي قابلة للإزالة.
يتصل أنبوب السحب المتشعب وأنبوب العادم المتشعب بفتحاتهما المقابلة في رؤوس الأسطوانات. يتصل أنبوب السحب المشتعب مباشرة بفلتر هواء، أو بمكربن الهواء إن تواجد والذي يكون متصلاً بفلتر هواء. يقوم أنبوب السحب بتوزيع الهواء على الأسطوانات مفردة. يُعتبر أنبوب العادم المتشعب أول جزء في نظام العادم، حيث يقوم بتجميع غازات العادم من الأسطوانات وتوصليها للجزء التالي في مسار العادم. قد يحتوي نظام العادم في محركات الاحتراق الداخلي على محول حفزي يقلل من تأثير الغازات السامة، وكاتم صوت يقلل من تأثير الضوضاء. ينتهي مسار غازات العادم بأنبوب الذيل الذي يقوم بطردها إلى الهواء.

تنظيف الأسطوانة بواسطة منفاخ

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. يستخدم المحرك من هذا النوع فتحات أو صمامات لدخول الشحنة وصمامات لطرد العادم، فيما عدا المحركات ذات المكابس المتعاكسة التي قد تستخدم فتحات لطرد العادم. يكون نوع المنفاخ عادة شاحن توربيني فائق نوع روتس، ولكن أنواع أخرى قد استخدمت أيضاً. يعتبر هذا التصميم شائع الاستخدام في محركات الاشعال بالانضغاط، واستُخدم أيضاً في محركات الاشعال بالشرارة.
تستخدم محركات الاشعال بالانضغاط المستخدمة للمنفاخ التنظيف أحادي الاتجاه. يحتوي جدار الأسطوانة في هذا التصميم على فتحات موزعة بانتظام على محيط جدار الأسطوانة أعلى الموضع الذي يكون عنده رأس المكبس (بالإنجليزية: Piston Crown) عندما يكون المكبس عند النقطة الميتة السفلى مباشرة. يُستخدم صمام عادم واحد أو العديد منه مثلما هو الحال في المحركات رباعية الأشواط. يكون الجزء الأخير من أنبوب الدخول المتشعب عبارة عن أنبوب موصل بفتحات الدخول في الأسطوانة لتزويدها 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 تكون محركات اشعال بالانضغاط منخفضة السرعة من هذا النوع، وتُستخدم للدفع البحري أو توليد الطاقة الكهربية، وتحقق أقصى كفاءة حرارية بين جميع أنواع محركات الاحتراق الداخلي. تعمل بعض محركات الديزل للقاطرات الكهربية على الدورة ثنائية الشوط. تبلغ القدرة الفرملية لأقوى محرك بين هذه المحركات حوالي 4.5 ميجا وات أو 6000 حصان. تستخدم القاطرة طراز إي إم دي اس دي 90 ماك محرك ثنائي الشوط، بينما تستخدم القاطرة المناظرة لها طراز جي إي ايه سي 6000 سي دبليو محرك رباعي الأشواط، والتي تبلغ قدرة محركها نفس قدرة القاطرة سابقاً.
يعتبر محرك الديزل ثنائي الشوط فرتسيلا-سولزر أر تي ايه 96-سي المزود بشاحن توربيني والمستخدم في سفن الحاويات، مثال لهذا النوع من المحركات، ويعتبر أكثر محركات الاحتراق الداخلي كفاءة وقدرة في العالم، بكفاءة تتجاوز 50%. تبلغ الكفاءة الحرارية لأفضل وأصغر محرك رباعي الأشواط، على سبيل المقارنة، حوالي 43%، ويعتبر الحجم ميزة بالنسبة للكفاءة بسبب الزيادة في نسبة الحجم إلى مساحة السطح.

تاريخ التصميم

كشف دوجلد كلرك عن أول محرك ثنائي الشوط في عام 1879. استخدم هذا المحرك أسطوانة منفصلة كمضخة لنقل خليط الوقود إلى أسطوانة المحرك.

قام جون داي بتبسيط تصميم محرك كلرك في عام 1899، ليصبح على هيئة المحرك ثنائي الشوط المنتشر الآن. تجري محركات دورة داي عملية التنظيف بواسطة علبة المرافق، وتستخدم فتحات موقوتة. تُستخدم علبة المرافق وجزء الأسطوانة الموجود أسفل فتحة العادم كمضخة. يبدأ عمل محرك دورة داي عندما يدور عمود المرفق فيتحرك المكبس من النقطة الميتة العليا صعوداً، فيخلق فراغاً في منطقة علبة المرافق/الأسطوانة. يقوم مكربن الهواء بعد 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 في الأسطوانة، وفي القنوات التي تصل فتحة العادم بأنبوب العادم. يُسمى ارتفاع منفذ الدخول أو العادم بالنسبة لطول الأسطوانة "توقيت المنفذ".
لا يكون هناك وقود في الأسطوانة خلال أول شوط صاعد للمحرك، حيث تكون علبة المرافق فارغة. يقوم المكبس في الشوط الهابط بضغط خليط الوقود، والذي قام بتزييت المكبس في الأسطوانة وتزييت المحامل أيضاً بسبب احتوائه على زيت قد أُضيف إليه. يكشف المكبس فتحة العادم أولاً عند تحركه لأسفل، لكن لا يكون هناك وقود محترق في أول شوط ليتم التخلص منه. يكشف المكبس بعد ذلك فتحة دخول الشحنة، والتي تكون متصلة بعلبة المرافق بواسطة قناة (مجرى). يتحرك خليط الوقود إلى الأسطوانة من خلال القناة بسبب ارتفاع ضغط خليط الوقود في علبة المرافق.

الاشعال

تتطلب محركات الاحتراق الداخلي إشعال خليط الوقود، إما بواسطة شمعة اشعال (الاشعال بالشرارة) أو إشعال بالانضغاط. استُخدمت وسائل إشعال اعتمدت على أنبوب ساخن ولهب قبل اختراع وسائل الإشعال الكهربية الفعالة. صُنعت محركات تجريبية تستخدم الإشعال بالليزر.

الاشعال بالشرارة

كان محرك الإشعال بالشرارة تطوير للمحركات المبكرة التي استخدمت الإشعال بأنبوب ساخن. أصبح جهاز المغنيط ( المغنيط مولد كهربائي صغير يحتوي بداخله على مغناطيس مؤقت، ويزود شمعات الاشعال بنبضات جهد كهربي مرتفعة) النظام الأساسي لتزويد شمعات الاشعال بالكهرباء، بعدما اخترعه بوش. مازالت العديد من المحركات الصغيرة تستخدم مغنيط الإشعال. يبدأ تشغيل المحركات الصغيرة بإدارة عمود مرفق باليد باستخدام بادئ حركة ارتدادي (بالإنجليزية: Recoil Crank) أو مدورة يدوية. استخدمت كل سيارات محركات البنزين مدورة يدوية قبل تطوير تشارلز كيترنج صاحب مؤسسة دلسو للإكترونيات، محرك بدء الحركة.
تشغل المحركات الكبيرة محركات بدء الحركة وأنظمة الاشعال باستخدام الطاقة الكهربية المخزنة في بطاريات الرصاص. يتم شحن البطارية بواسطة مولد تيار متردد أو مولد يستخدم قدرة المحرك لتوليد طاقة كهربية وتخزينها.
تولد البطارية طاقة كهربية لبدء الحركة عند احتواء المحرك على محرك بدء حركة، وتقوم بتوفير الطاقة الكهربية عندما يكون المحرك مغلق. توفر البطارية طاقة كهربية خلال حالات التشغيل النادرة أيضاً، عندما لا يكون المولد قادراً على توليد أكثر من 13.8 فولت (بالنسبة لنظام السيارة الكهربي 12 فولت). تقوم بطارية الرصاص بتزويد الحمل الكهربي عند انخفاض جهد المولد عن 13.8 فولت. 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 بتعطيل المولد خلال  حالات التشغيل القصوى، ويؤدي ذلك لخفض الحمل الميكانيكي على أقطاب المولد إلى صفر تقريباً، مما يرفع قدرة عمود المرفق إلى قدرته القصوى. تقوم البطارية في هذه الحالة بتوفير كل الطاقة الكهربية الأساسية.
تُزود محركات البنزين بخليط من الهواء والبنزين، ويُضغط الخليط بواسطة حركة المكبس من النقطة الميتة السفلى إلى النقطة الميتة العليا حيث يصل الوقود إلى أقصى درجة من الانضغاط. يوصف التخفيض في حجم المساحة المجتازة في الأسطوانة بنسبة مع الأخذ في الاعتبار حجم غرفة الاحتراق. بلغت نسبة الانضغاط للمحركات المبكرة 6 إلى 1، وازدات كفاءة المحرك بزيادة نسب الانضغاط.

وجب خفض نسب الانضغاط خلال استخدام أنظمة حقن الوقود والاشعال المبكرة. أدت التطورات في تكنولوجيا الوقود والتحكم في عملية الاحتراق إلى الحصول على محركات مرتفعة الأداء تعمل بكفاءة عند نسبة انضغاط 1:12. ستظهر مشكلة عند استخدام وقود ذو رقم أوكتان منخفض عند زيادة نسبة الانضغاط، حيث سيشتعل الوقود قبل الوقت المناسب نتيجة ارتفاع درجة الحرارة بسبب الانضغاط. طور تشارلز كيترنج اضافات من الرصاص إلى الوقود تسمح باستخدام نسب انضغاط مرتفعه.
يتم اشعال خليط الوقود عند مواضع مختلفة للمكبس في الأسطوانة. تحدث شرارة الاشعال عندما يقترب المكبس من النقطة الميتة العليا فقط عند السرعات الدورانية المنخفضة لعمود المرفق. يتقدم وقت حدوث شرارة الاشعال بالنسبة لموضع المكبس في الأسطوانة بزيادة السرعة الدورانية للحصول على مزيد من القدرة، أي أنه كلما ازدادت السرعة الدورانية لعمود المرفق، يحدث الاشعال عند مواضع للمكبس قبل وصوله للنقطة الميتة العليا ويبتعد موضع الاشعال كلما زادت السرعة. تحدث الشرارة في وقت مبكر من انضغاط الوقود كلما زادت السرعة الدورانية.
يتم الحصول على الجهد العالي المطلوب، حوالي 10000 فولت، بواسطة ملف حثي أو محول كهربي. يكون الملف الحثي عبارة عن نظام عكسي يقوم بقطع التيار الكهربي للنظام الأساسي بواسطة قاطع متزامن (بالإنجليزية: synchronized interrupter). يمكن أن يكون القاطع إما نقاط اتصال أو ترانزستور قدرة. تظهر مشكلة هذا النوع من نظام الاشعال عندما تزداد السرعة الدورانية لعمود المرفق، حيث تقل الطاقة الكهربية المتوفرة. يعتبر ذلك مشكلة لأن كمية الطاقة الكهربية اللازمة لاشعال وقود أكثر كثافة تكون مرتفعة. كانت النتيجة دائماً فقد الاشعال عند السرعات الدورانية المرتفعة.
طُور نظام اشعال عن طريق تفريغ مكثف. ينتج هذا النظام جهد كهربي مرتفع، يتم ارساله إلى شمعة الاشعال. يمكن أن يصل جهد نظام القرص المضغوط إلى 60000 فولت. تستخدم أقراص الاشعال المضغوطة (بالإنجليزية: CD ignitions) محولات كهربائية تصاعدية. يستخدم المحول الكهربي التصاعدي الطاقة المخزنة في سعة كهربائية لتوليد شرارة كهربائية. يتم تزويد الأسطوانة المناسبة بجهد كهربي مرتفع في الوقت المناسب، بواسطة نظام تحكم ميكانيكي أو كهربي. تشعل الشرارة الصادرة من شمعة الاشعال خليط الهواء والوقود
الموجود في أسطوانات المحرك.
يبدأ تشغيل محركات البنزين في الطقس البارد بسهولة كبيرة عن محركات الديزل، وبالرغم من ذلك، مازال بالإمكان تعرض محركات البنزين لمشاكل عند بداية تشغيلها في الطقس البارد في الحالات القصوى. كان ركن السيارة في مناطق ساخنة هو الحل لسنوات لهذه المشكلة. يُفرغ الوقود من المحرك في بعض المناطق في العالم، ويتم تدفئته خلال الليل ثم يتم ارجاعه للمحرك لبداية تشغيله في الظروف الباردة. طُورت وحدة تحويل البنزين إلى غاز في وقت مبكر من عام 1950. يتم سحب البنزين إلى 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 في محركات البنزين المباعة في المناطق ذات الطقس البارد.

الاشعال بالانضغاط

تعتمد محركات الديزل ذات الاحتراق المختلط سابقا جزئيا والاشعال بالانضغاط للشحنة المتجانسة على الضغط والحرارة، الذان يوجدهما المحرك في اجراء الانضغاط من أجل عملية الاشعال. يساوي الانضغاط الحادث في محرك الديزل ضعف أو أكثر من ضعف الانضغاط الحادث في محرك البنزين. يسحب محرك الديزل هواء فقط من صمام الدخول، وتُرش كمية صغيرة من الوقود  قبل الوصول إلى أقصى انضغاط بواسطة حاقن الوقود، مما يسمح باشتعال الوقود فوراً. تسحب المحركات ذات الاشعال بالانضغاط للشحنة المتجانسة، هواء ووقود وتستمر بالاعتماد على عملية احتراق غير مساعدة بسبب الضغط والحرارة المرتفعين. يوضح ما سبق سبب تأثر محركات الديزل ومحركات الاشعال بالانضغاط للشحنة المتجانسة بمشاكل بداية التشغيل في الطقس البارد، وبالرغم من ذلك فإنها تعمل بشكل جيد في الطقس البارد بعد بداية التشغيل. تستخدم محركات الديزل ذات الحقن الغير مباشر الموجودة في السيارات ذات المهام الخفيفة والشاحنات الخفيفة، شمعات توهج لتسخين غرفة الاحتراق قبل بداية تشغيل المحرك لخفض ظروف عدم بداية التشغيل  في الطقس البارد. تحتوي معظم محركات الديزل على بطارية وأنظمة 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 على وحدة تحكم في المحرك كهربية وإلكترونية، يمكنها ضبط عملية الاحتراق أيضاً لزيادة الكفاءة وتقليل الانبعاثات.

ترتيب الأسطوانات

تشمل أشكال الترتيب الشائعة للأسطوانات الترتيب الخطي (محرك خطي) والترتيب الأكثر صعوبة في شكل V، والترتيب في شكل مسطح (محرك مسطح) والذي يتميز بالسلاسة على الرغم من عرضه. تستطيع محركات الطائرات استخدام الترتيب الشعاعي للأسطوانات، والذي يتيح تبريد أفضل. استُخدمت أيضاً أشكال الترتيب النادرة مثل الترتيب على شكل H وشكل U وشكل X وشكل W (محرك شكل W).
تضع المحركات متعددة الأسطوانات مجموعة الصمامات وعمود المرفق بحيث تكون المكابس عند مواضع مختلفة من دورة التشغيل (تؤدي المكابس أشواط مختلفة)، ومن المرغوب فيه أن تكون دورات المكبس متباعدة بشكل منتظم (يًسمى ذلك بترتيب الاشعال المتساوي، وفيه تكون الزاوية بين كل اشعال والاخر متساوية، ويتم حسابها بقسمة زاوية الدوران الكلية لعمود المرفق على عدد الأسطوانات. مثال: إن كان المحرك رباعي الأشواط فإن عمود المرفق يكمل الدورة الحرارية كل 720 درجة، وإن كان المحرك رباعي الأسطوانات، يكون ترتيب الاشعال 4/720 أي أن الاشعال يحدث في أسطوانة مختلفة كل 180 درجة من دوران عمود المرفق) خاصة في محركات السحب القسري للهواء، ويقلل هذا من نبضات العزم ويجعل المحركات الخطية المحتوية على أكثر من 3 أسطوانات أكثر اتزاناً بالنسبة للقوى الأساسية (انظر اتزان المحرك). تحتاج بعض أشكال المحركات إلى ترتيب اشعال فردي (الزاوية بين كل اشعال والاخر في أسطوانات مختلفة غير متساوية، مثال: محرك 6 أسطوانات يحدث الاشعال فيه عند 90 درجة و150 درجة، لكن الاشعال المتساوي كان يجب أن يحدث عند 6/720 أي كل 120 درجة من دوران عمود المرفق) لتحقيق اتزان أفضل من استخدام ترتيب الاشعال المتساوي (ترتيب الاشعال: هو ترتيب أشواط القدرة في الأسطوانات للحصول على توزيع متساوي للقوى المؤثرة على عمود المرفق). يحقق محرك خطي مزدوج رباعي الأشواط، على سبيل المثال، اتزان أفضل عندما تكون الزاوية بين مسامير المرفق 180 درجة (مكبس صاعد ومكبس هابط) حيث تتحرك المكابس في اتجاهات متعاكسة فيلغي ذلك تأثير عزم القصور، لكن ذلك يُعطي ترتيب اشعال فردي، حيث تًشعل الشحنة في الأسطوانة بعد 180 درجة من حدوث الاشعال في الأسطوانة الأخرى، ولايحدث اشعال في أي أسطوانة عند زاوية 540 درجة من دوران عمود المرفق (ترتيب الاشعال المتساوي لهذا المحرك يكون 2/720 أي كل 360 درجة). تتحرك المكابس في انسجام عند ترتيب الاشعال المتساوي.
لا تحتاج بالضرورة أشكال عمود المرفق المتعددة إلى رأس أسطوانة في جميع الأسطوانات، وبدلاً من ذلك قد تستخدم مكبس عند كل نهاية من نهايتي الأسطوانة، ويُسمى ذلك التصميم محرك بمكابس متقابلة . يمكن تحقيق التنظيف أحادي الاتجاه في أسطوانة هذا التصميم، حيث أن مداخل ومخارج الوقود تقع عند نهايتين متقابلتين للأسطوانة، ويكون التنظيف أحادي الاتجاه فعال على مدى واسع من سرعات المحرك، كما هو في المحركات رباعية الأشواط. يؤدي نقص رؤوس الأسطوانات إلى تحسين الكفاءة الحرارية. استُخدم هذا التصميم في محرك الطائرة الديزل يونكرز جومو 205، باستخدام عمودين مرفق عند نهايتي مجموعة واحدة من الأسطوانات. استُخدم بشكل أكثر ملاحظة في محركات الديزل نابير ديلتك، واستخدمت ثلاث أعمدة مرفق لتشغيل 3 مجموعات من الأسطوانات مزدوجة النهاية (تستخدم مكبسين متقابلين) موضوعة في شكل مثلث متساوي الأضلاع، ووُضعت أعمدة مرفق عند رؤوس المثلث. استُخدم أيضاً هذا التصميم في محركات القاطرات ذات مجموعة أسطوانات واحدة، ومازالت تُستخدم في محركات الدفع البحري ومولدات الكهرباء البحرية الاحتياطية.

محرك خماسي الأشواط

صنع وباع نيكولاس أوتو محرك ذو تمدد مضاعف في عام 1879 (استُخدمت مبادئ التمدد المضاعف والتمدد الثلاثي بكثرة في المحركات البخارية)، وتكون من أسطوانتين صغيرتين على جانبي أسطوانة أكبر وذات ضغط منخفض يحدث فيها شوط تمدد غاز العادم. أعاد المشتري المحرك بحجة ضعف الأداء. استُخدم هذا المبدأ في عام 1906 في سيارة صُنعت بواسطة شركة إزينهوث هورسيليس للمركبات في الولايات المتحدة، وفي القرن الواحد والعشرين صمم واخترع إلمور محرك احتراق داخلي خماسي الأشواط متضاعف التمدد، له قدرة ناتجة مرتفعة واستهلاك نوعي للوقود منخفض.

محرك سداسي الأشواط

اختُرع المحرك سداسي الأشواط في عام 1883. استخدمت أربع أنواع من المحركات سداسية الأشواط، مكبس عادي يتحرك داخل أسطوانة عادية (محرك جريفين سداسي الأشواط، محرك بوجلاذ سداسي الأشواط، محرك فيلوزيتا سداسي الأشواط، محرك كرور سداسي الأشواط)، ويحدث الاشعال كل ثلاث دورات من دوران عمود المرفق (كل 540 درجة). استطاع هذا النظام الاستفاده من الحرارة المفقودة في دورة أوتو رباعية الأشواط عن طريق حقن الهواء أو الماء.

دورات أخرى

لم يضغط أول محرك احتراق داخلي خليط الوقود والهواء. كان يًسحب خليط الوقود والهواء خلال الجزء الأول من شوط هبوط المكبس، ثم يُغلق صمام الدخول ويًشعل الخليط خلال باقي الشوط. يُفتح صمام العادم أثناء صعود المكبس. كانت تهدف هذه المحاولات لمحاكاة المحرك البخاري، لكنها افتقرت بشدة للكفاءة. طرأ عدد من التغييرات على هذه الدورات، الجدير بالذكر منها دورة أتكينسون ودورة ميلر. اختلفت دورة ديزل بشكل ما عن تلك الدورات.
تقوم محركات الدورة المجزاة بفصل الأشواط الأربعة: السحب والانضغاط والاحتراق وطرد العادم في أسطوانتين منفصلتين لكنهما مرتبطين ببضعهما. تُستخدم الأسطوانة الأولى للسحب والانضغاط، ثم يُمرر الهواء المضغوط خلال ممر عرضي من أسطوانة الانضغاط للأسطوانة الثانية، حيث يحدث الاحتراق وطرد العادم.  يعتبر محرك الدورة المجزأة ضاغط هواء على جانب وغرفة احتراق على الجانب الاخر.

عانت محركات الدورة المجزأة السابقة من مشكلتين رئيسيتين: سوء الكفاءة الحجمية وانخفاض الكفاءة الحرارية، وعلى الرغم من ذلك، فإن التصاميم الجديدة تسعى لمعالجة على تلك المشكلات.
عالج محرك سكوديري مشكلة الكفاءة الحجمية بتقليل حجم التسامح بين المكبس ورأس الأسطوانة، باستخدام أساليب شحن توربينية مختلفة. يتطلب تصميم سكوديري استخدام أسطوانات تُفتح للخارج حتى يسمح للمكبس بالتحرك لأقرب ما يمكن من رأس الأسطوانة، دون التأثير على الصمامات. كما عالج سكوديري مشكلة انخفاض الكفاءة الحرارية باشعال الخليط بعد النقطة الميتة العليا.

يُمكن اجراء الاشعال بعد النقطة الميتة العليا باستخدام هواء مرتفع الضغط في ممر العبور بين الأسطوانات، وذلك لخلق تدفق بسرعة الصوت واضطراب شديد للمائع في أسطوانة شوط القدرة.

السحب القسري

تًسمى عملية توصيل الهواء المضغوط لمدخل محرك الاحتراق الداخلي بالسحب القسري (بالإنجليزية: Forced induction). يستخدم المحرك ذو السحب القسري ضاغط غاز لزيادة ضغط ودرجة حرارة وكثافة الهواء. يُسمى المحرك الذي لا يستخدم السحب القسري بمحرك التنفس الطبيعي.
يُستخدم السحب القسري في صناعة السيارات والطيران لزيادة قدرة وكفاءة المحرك. يساعد السحب القسري محركات الطائرات بوجه خاص، نظراً لحاجتها للعمل عند ارتفاعات مرتفعة. 

يتم السحب القسري باستخدام شاحن توربيني فائق، حيث يتصل ضاغطه بعمود المحرك مباشرة، أو باستخدام شاحن توربيني حيث تُشغل  تربينته بغازات العادم الناتجة من المحرك.

الوقود والمؤكسدات

تعتمد جميع محركات الاحتراق الداخلي على احتراق وقود كيميائي في وجود أكسجين من الهواء الجوي (يمكن حقن أكسيد النيتروز أيضاً لرفع كفاءة الاحتراق وزيادة القدرة). يصاحب عملية الاحتراق إنتاج كمية كبيرة من الحرارة بالاضافة إلى البخار وثاني أكسيد الكربون ومواد كيميائية أخرى عند درجات حرارة مرتفعة جداً. تتحدد درجة الحرارة بناءاً على التركيب الكيميائي للوقود المستخدم والمواد المؤكسدة، بالاضافة إلى الانضغاط وعوامل أخرى.

الهيدروجين

قد يستبدل الهيدروجين أخيراً الوقود الأحفوري في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية، وربما تأتي خلايا الوقود بحل بديل فينتهي استخدام محركات الاحتراق الداخلي.
توجد طرق متعددة لإنتاج الهيدروجين الحر، لكن هذه الطرق تتطلب تحويل الجزيئات القابلة للاشتعال إلى هيدروجين أو استخدام طاقة كهربية. لا يقدم الهيدروجين حلاً لأيا من أزمات الطاقة، إن لم تتوفر هذه الطاقة الكهربائية من مصدر متجدد ولا تكون مطلوبة للاستخدام في أغراض أخرى. يعتبر تخزين الهيدروجين أحد سلبياته بالنسبة للوقود الكربوني في كثير من الحالات. للهيدروجين السائل كثافة منخفضة جداً (أقل من كثافة الماء بمقدار 14 مرة)، ويتطلب عزل كبير، بينما يتطلب الهيدروجين الغازي خزانات ثقيلة. يحتوي الهيدروجين على طاقة نوعية مرتفعة حتى عند إسالته، لكن كثافة الطاقة الحجمية له مازالت أقل من البنزين بمقدار 5 مرات. تعتبر كثافة الطاقة للهيدروجين مرتفعة عن تلك التي تحتويها البطاريات الكهربائية بالرغم من ذلك، مما يجعله منافس قوي لاستبدال الوقود الأحفوري. يتم إنتاج الهيدروجين حسب الطلب، لكن عملية الإنتاج (انظر خلية وقود البوروهيدريد المباشرة) تتضمن مشاكل من بينها ارتفاع سعر بوروهيدريد الصوديوم، الذي يعتبر المادة الخامة.

التبريد

يجب تبريد المحرك لازالة الحرارة الزائدة حتى لا تتسبب في تعطل المحرك أو تمزق أجزائه (بسبب الحرارة الناتجة نتيجة فشل التزييت) أو تصدعها أو تشوهها. يعتبر التبريد بالماء والتبريد بالهواء هم أكثر طرق التبريد شيوعاً. تستخدم معظم السيارات الحديثة 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 أو مياه عذبة، بينما تُبرد معظم محركات الأدوات الكهربائية ومحركات صغيرة أخرى بالهواء. تستخدم بعض المحركات (تُبرد بالمياه أو بالهواء) التبريد بالزيت أيضاً. يُستخدم الوقود كمبرد في بعض المحركات، خاصة لتبريد ريش المحركات التوربينية والتبريد الاسترجاعي لمحركات الصواريخ، حيث يُسخن الوقود قبل حقنه في غرفة الاحتراق.

كفاءة الطاقة

تُطلق نواتج الاحتراق طاقة حرارية أكبر من تلك التي يحتويها خليط الوقود والهواء المضغوط (يحتوي خليط الوقود والهواء طاقة كيميائية أكبر، تتحول إلى طاقة حرارية عند الاحتراق). تظهر الطاقة المتاحة في شكل درجة حرارة مرتفعة وضغط مرتفع، تُستخدم لإنتاج شغل بواسطة المحرك. تقودالغازات مرتفعة الضغط الموجودة في الأسطوانات، مكابس المحرك.

يتم التخلص من الغازات الساخنة المتبقية بعد استهلاك طاقتها (بفتح صمام العادم) ويسمح ذلك بعودة المكبس لموضعه السابق (النقطة الميتة العليا). يُمكن أن يبدأ المكبس الشوط التالي من دورته، والذي يختلف بين المحركات. تُصنف أي حرارة لا يتم تحويلها لشغل كطاقة مفقودة، ويتم التخلص منها بواسطة نظام التبريد سواء كان بالهواء أو بالماء.
تُعتبر محركات الاحتراق الداخلي محركات حرارية، ويُمكن تقدير كفاءتها النظرية باستخدام الدورات الديناميكية الحرارية المثالية. لا يمكن أن تزيد الكفاءة الحرارية للدورة النظرية عن كفاءة دورة كارنوت، والتي تتحدد كفائتها بالفرق بين أعلى وأقل قيمة لمدى درجات حرارة التشغيل للمحرك. تُحدد درجة حرارة التشغيل العليا للمحرك بواسطة عاملين: الحدود الحرارية التشغيلية للمواد (مدى تحملها) ومدى مقاومة الوقود للاشعال الذاتي. هناك حدود حرارية لجميع المعادن والسبائك، وهناك بحث تم على المواد الخزفية التي يُمكن أن تُصنع باستقرار حراري أكبر وخواص مرغوبة في المادة. يسمح الاستقرار الحراري المرتفع للمادة باستخدام فرق درجات حرارة أكبر بين درجة حرارة التشغيل العليا والسفلى، مما يؤدي لكفاءة حرارية أكبر. يُصبح المحرك أكثر عُرضة للاشعال الذاتي أيضاً بارتفاع درجة حرارة الأسطوانة، ويحدث هذا عندما تقترب درجة حرارة الأسطوانة من درجة حرارة الاشعال الذاتي للشحنة (نقطة الوميض). يُمكن أن يحدث الاشعال تلقائياً عند هذه النقطة قبل أن تطلق شمعة الاشعال الشرارة، مما يرفع الضغط في الأسطوانة بدرجة كبيرة. يُمكن تخفيف أثر الاشعال الذاتي أو تأخير حدوثه باستخدام أنواع وقود ذات مقاومة مرتفعة للاشعال الذاتي (رقم أوكتان مرتفع)، ومع ذلك يبقى محدوداً بدرجة الحرارة القصوى التي تستطيع الأسطوانة تحملها.
تفرض القيود الديناميكية الحرارية أن 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 باسم نطاق القدرة. يعمل محرك السيارة عادة عند ظروف أقل من الظروف المثالية، نظراً لتصميمه للأحمال المرتفعة المطلوبة للتسارع المفاجئ، بالاضافة لذلك، تقلل عوامل أخرى مثل مقاومة الرياح الكفاءة الكلية للنظام. يُقاس استهلاك الوقود بالميل لكل جالون أو بعدد لترات الوقود لكل 100 كم. يفرض حجم الهيدروكربون محتوى حراري قياسي.
يبلغ القيد الديناميكي الحراري لمعظم المحركات المصنوعة من الحديد 37%. تحقق معظم المحركات كفاءة متوسطة حوالي 18-20%، حتى عند تزويدها بشواحن توربينية ووسائل تحسين الكفاءة. حققت أحدث التقنيات المستخدمة في محركات فورميلا 1 زيادة في الكفاءة الحرارية لتصل إلى 47% تقريباً. تحقق المحركات الصاروخية كفاءات أفضل تصل إلى 70%، بسبب عملها عند درجات حرارة وضغوط مرتفعة جداً ويمكن أن تستخدم نسب تمدد مرتفعة جداً أيضاً. مازالت المحركات الكهربائية هي الأفضل من حيث الكفاءة، حيث تتراوح كفاءتها بين 85-90% أو أكثر، لكنها تعتمد على مصدر طاقة خارجي (يكون عادة محرق احتراق داخلي في محطة 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 والوزن والقدرة والحرارة والاستجابة وانبعاثات العادم أو الضوضاء، على حساب بعضها البعض. يكون للاقتصاد دور أحياناً، ليس فقط في تكلفة تصنيع المحرك ولكن تصنيع وتوزيع الوقود أيضاً. تؤدي زيادة كفاءة المحرك للحصول على استهلاك وقود أفضل إن كانت فقط تكلفة الوقود بالنسبة للمحتوى الحراري ثابتة.

قياس كفاءة الوقود وكفاءة المادة الدافعة

يُقاس استهلاك الوقود للمحركات الثابتة والمحركات ذات الأعمدة الدوارة بما فيها المحركات ذات المراوح الدافعه عن طريق حساب الاستهلاك النوعي للوقود الفرملي، والذي يُقاس بقسمة معدل كتلة الوقود المستهلكة على القدرة المنتجة.

تتغير سرعة الهواء بشكل جذري مع القدرة الناتجة للمحركات 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 كمية جرامات المادة الدافعة اللازمة لتوليد نبضة دافعة مقدارها واحد كيلو نيوتن-ثانية.

يُمكن استخدام الاستهلاك النوعي للوقود الدافع في الصواريخ، ولكن يُستخدم عادة مقياس أكثر شيوعاً مثل الدفعة النوعية أو سرعة العادم الفعالة.

تلوث الهواء

ينتج عن محركات الاحتراق الداخلي مثل المحركات المكبسية انبعاثات تلوث الهواء، بسبب الاحتراق الغير كامل للوقود الكربوني. تتكون الانبعاثات الأساسية من ثاني أكسيد الكربون والماء وبعض السُخام الذي يُطلق عليه أيضاً المادة الهبابية. تم دراسة تأثير استنشاق هذه المادة الهبابية على الإنسان والحيوان، وكانت النتيجة تسببها بأمراض الربو وسرطان الرئة وأمراض القلب والأوعية الدموية والموت المبكر. يوجد أيضاً بعض نواتج الاحتراق الاضافية مثل أكاسيد النيتروجين والكبريت، وبعض الهيدروكربونات غير المحترقة، ويعتمد تركيز هذه النواتج على ظروف تشغيل المحرك ونسبة الوقود إلى الهواء.
لا يُستهلك الوقود بالكامل خلال عملية الاحتراق، لكن تبقى كمية صغيرة منه بعد الاحتراق، تؤدي إلى تكون مركبات غنية بالأكسجين مثل الفورمالديهايد أو الأسيتالدهيد، أو هيدروكربونات لم تكن موجودة في تركيب خليط الوقود. يحدث الاحتراق الغير كامل بسبب كمية الأكسجين الغير كافية لتحقيق معدل التكافؤ (بالإنجليزية: stoichiometric ratio) المثالي. يُخمد اللهب بواسطة جدران الأسطوانة الباردة، ويترك جزيئات وقود غير محترقة تُطرد مع العادم. تُلاحظ عملية إخماد اللهب عادة عند تشغيل محركات الديزل التي تعمل بالغاز الطبيعي عند سرعات منخفضة، حيث يؤدي إخماد اللهب إلى خفض الكفاءة وزيادة حدوث الطقطقة في الأسطوانات، والتي قد تتسبب بتوقف المحرك أحياناً. ينتج أيضاً عن الاحتراق الغير مكتمل انبعاث أول أكسيد الكربون ومركبات كيميائية أخرى مثل البنزين والبوتادين والتي تُعتبر ملوثات خطرة للهواء.
يؤدي زيادة كمية الهواء في المحرك إلى تقليل انبعاثات نواتج الاحتراق الغير مكتمل، لكنه أيضاً يسمح بتفاعل الأكسجين مع النيتروجين الموجود في الهواء فتتكون أكاسيد النيتروجين. تُعتبر أكاسيد النيتروجين مركبات خطرة على كل من كوكب الأرض وصحة الحيوانات، حيث أنها تؤدي إلى تكون الأوزون. لا ينبعث الأوزون مباشرة، لكنه يعتبر ملوث ثانوي للهواء، ويتكون في الهواء الجوي عند تفاعل أكاسيد النيتروجين مع المركبات العضوية المتطايرة في وجود أشعة الشمس. إن وجود الأوزون على الأرض يُضر بصحة البشر والبيئة، ولايتعارض هذا مع أوزون الغلاف الجوي أو طبقة الأوزون التي تحمي الأرض من الأشعة فوق البنفسجية الضارة.
يحتوي الوقود الكربوني على الكبريت وشوائب تؤدي في النهاية إلى تكون أول أكسيد الكبريت وثاني أكسيد الكبريت في غازات العادم، مما يتسبب في حدوث المطر الحمضي.
تُحدد أكاسيد النيتروجين والمادة الهبابية وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت والأوزون على أنها معايير ملوثات الهواء بناءاً على قانون الهواء النظيف في الولايات المتحدة الأمريكية، وتحدد النسب المسموح بها من هذه المواد لحماية صحة الإنسان. تُحدد ملوثات أخرى مثل البنزين والبوتادين كملوثات خطرة للهواء الجوي (انظر المعايير الوطنية لانبعاثات ملوثات الهواء الخطرة)، يجب خفض انبعاثاتها قدر ما يمكن بالاعتماد على التقنيات والاعتبارات العملية.
يُتحكم في انبعاثات  أكاسيد النيتروجين وأول أكسيد الكربون والملوثات الأخرى بإعادة استخدام غاز العادم، حيث يُعاد جزء منه إلى مدخل المحرك، وتُستخدم المحولات الحفزية أيضاً لتحويل المواد الكيميائية الموجودة في العادم إلى مواد كيميائية غير ضارة.

تشغيل المحرك بدون فائدة

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 في إنجلترا في 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 لمدينة أكسفورد.