محرك احتراق داخلي
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 للإشعال 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 للإشعال الذاتي أيضاً بارتفاع درجة حرارة الأسطوانة، ويحدث هذا عندما تقترب درجة حرارة الأسطوانة من درجة حرارة الإشعال الذاتي للشحنة (نقطة الوميض). يُمكن أن يحدث الإشعال تلقائياً عند هذه النقطة قبل أن تطلق شمعة الاشعال الشرارة، مما يرفع الضغط في الأسطوانة بدرجة كبيرة. يُمكن تخفيف أثر الإشعال الذاتي أو تأخير حدوثه باستخدام أنواع وقود ذات مقاومة مرتفعة للإشعال 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، بالإضافة 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.