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内燃機関（ICEまたはICエンジン）は、作動流体の流れ回路の一部である燃焼室内で、燃料と酸化剤（通常は空気）の燃焼が行われる熱機関です。内燃機関では、燃焼によって生成された高温高圧ガスの膨張が、エンジンの構成要素に直接的な力を加えます。この力は通常、ピストン（ピストンエンジン）、タービンブレード（ガスタービン）、ローター（ヴァンケルエンジン）、またはノズル（ジェットエンジン）に加わります。この力によって構成要素が一定の距離だけ移動します。このプロセスによって化学エネルギーが運動エネルギーに変換され、エンジンが接続されているものを推進、移動、または動力源として利用されます。
商業的に成功した最初の内燃機関は、19 世紀半ばに発明されました。最初の近代的な内燃機関であるオットーエンジンは、1876 年にドイツのエンジニア、ニコラウス・オットーによって設計されました。[ 1 ]内燃機関という用語は通常、燃焼が断続的なエンジンを指し、より一般的な2 ストロークおよび4 ストロークピストンエンジンのほか、 6 ストロークピストンエンジンやヴァンケルロータリーエンジンなどの派生型が含まれます。内燃機関の 2 番目のクラスは連続燃焼を使用します。ガスタービン、ジェットエンジン、およびほとんどのロケットエンジンは、それぞれ前述の原理と同じ原理の内燃機関です。[ 1 ] [ 2 ]対照的に、蒸気機関やスターリングエンジンなどの外燃機関では、エネルギーは燃焼生成物で構成されていない、混合されていない、または汚染されていない作動流体に供給されます。外燃機関の作動流体には、空気、温水、加圧水、あるいはボイラーで加熱された液体ナトリウムなどがある。
定置用途は多数ありますが、ほとんどのICEは移動用途で使用され、自動車、航空機、ボートなどの車両の主要な動力源となっています。ICEは通常、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、エタノールなどの炭化水素系燃料で駆動されます。バイオディーゼルなどの再生可能燃料は圧縮着火（CI）エンジンで使用され、バイオエタノールまたはバイオエタノールから製造されたETBE（エチルtert-ブチルエーテル）は火花点火（SI）エンジンで使用されます。1900年という早い時期に、ディーゼルエンジンの発明者であるルドルフ・ディーゼルは、エンジンを動かすためにピーナッツオイルを使用していました。[ 3 ]再生可能燃料は一般的に化石燃料と混合されます。 めったに使用されない水素は、化石燃料または再生可能エネルギーのいずれかから得ることができます。
さまざまな科学者や技術者が内燃機関の開発に貢献しました。1791年、ジョン・バーバーはガスタービンを開発しました。1794年、トーマス・ミードはガスエンジンの特許を取得しました。同じく1794年、ロバート・ストリートは液体燃料を使用した最初の内燃機関の特許を取得し、その頃にエンジンを製作しました。1798年、ジョン・スティーブンスは最初のアメリカ製内燃機関を製作しました。1807年、フランスの技術者ニセフォール・ニエプス（後に写真術を発明）とクロード・ニエプスは、制御された粉塵爆発を使用したプロトタイプの内燃機関「ピレオロフォール」を稼働させ、ナポレオン・ボナパルトから特許を取得しました。このエンジンはフランスのソーヌ川でボートの動力源となりました。[ 4 ] [ 5 ]同年、スイスの技術者フランソワ・アイザック・ド・リヴァズは電気火花で点火する水素ベースの内燃機関を発明しました。 1808年、ド・リヴァズは自身の発明品を原始的な作業車両に取り付けた。「世界初の内燃機関搭載自動車」である。[ 6 ] 1823年、サミュエル・ブラウンは産業応用された最初の内燃機関の特許を取得した。
1854 年、英国でイタリアの発明家エウジェニオ・バルサンティとフェリーチェ・マッテウッチは「ガスの爆発による動力の取得」の認証を取得しました。1857 年、英国特許庁は彼らに「ガスから動力を得るための改良された装置」の発明に対する特許番号 1655 を付与しました。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]バルサンティとマッテウッチは 1857 年から 1859 年の間にフランス、ベルギー、ピエモンテで同じ発明に対する他の特許を取得しました。[ 11 ] [ 12 ] 1860 年、ベルギーのエンジニア、ジャン・ジョゼフ・エティエンヌ・ルノワールはガス燃焼式内燃機関を製造しました。[ 13 ] 1864 年、ニコラウス・オットーは最初の大気圧ガスエンジンの特許を取得しました。 1872年、アメリカ人のジョージ・ブレイトンが世界初の商用液体燃料内燃機関を発明した。1876年、ニコラウス・オットーはゴットリープ・ダイムラーとヴィルヘルム・マイバッハと共同で、圧縮燃焼4サイクルエンジンの特許を取得した。1879年、カール・ベンツは信頼性の高い2ストロークガソリンエンジンの特許を取得した。その後、1886年にベンツは内燃機関を搭載した自動車の最初の商用生産を開始し、3輪4サイクルエンジンとシャーシが一体となった。[ 14 ] 1892年、ルドルフ・ディーゼルは世界初の圧縮燃焼圧縮点火エンジンを開発した。1926年、ロバート・ゴダードは世界初の液体燃料ロケットを打ち上げた。1939年、ハインケルHe 178が世界初のジェット機となった。[ 15 ]
かつて、「エンジン」（古フランス語を経てラテン語のingenium 、「能力」に由来）という言葉は、あらゆる機械を意味していました。この意味は、「攻城兵器」 （siege engine）などの表現にも残っています。「モーター」（ラテン語のmotor 、「動かすもの」に由来）は、機械的な動力を生み出すあらゆる機械を指します。伝統的に、電気モーターは「エンジン」とは呼ばれませんが、内燃機関はしばしば「モーター」と呼ばれます。（電気機関とは、電気で動く機関車のことです。）
ボートでは、船体に取り付けられた内燃機関はエンジンと呼ばれますが、トランサムに取り付けられたエンジンはモーターと呼ばれます。[ 16 ]
往復ピストンエンジンは、自動車、オートバイ、船舶、そして程度は低いものの機関車（一部は電気式だが、ほとんどはディーゼルエンジンを使用している[ 17 ] [ 18 ] ）を含む陸上および水上車両の動力源として圧倒的に一般的である。ヴァンケル設計のロータリーエンジンは、一部の自動車、航空機、オートバイで使用されている。これらはまとめて内燃機関車（ICEV）として知られている。[ 19 ]
高い出力重量比が求められる場合、内燃機関は燃焼タービン、あるいはヴァンケルエンジンの形で現れます。動力付き航空機は通常、往復動エンジンである内燃機関を使用します。飛行機は代わりにジェットエンジンを、ヘリコプターは代わりにターボシャフトを使用することもできます。どちらもタービンの一種です。航空機は推進力を提供するだけでなく、補助動力装置として別の内燃機関を使用することもあります。ヴァンケルエンジンは多くの無人航空機に搭載されています。
内燃機関（ICE）は、電力網に電力を供給する大型発電機を駆動します。ICEは、一般的な出力が約100MWの燃焼タービン の形をしています。複合サイクル発電所は、高温の排気を利用して蒸気を沸騰・過熱し、蒸気タービンを駆動します。そのため、燃焼機関単体で得られるエネルギーよりも燃料から多くのエネルギーが抽出されるため、効率が高くなります。複合サイクル発電所の効率は50～60%の範囲です。より小規模な場合、ガスエンジンやディーゼル発電機などの定置型エンジンは、バックアップ用、または電力網に接続されていない地域への電力供給に使用されます。
小型エンジン（通常は2ストローク単気筒ガソリンエンジン）は、芝刈り機、草刈り機、チェーンソー、ブロワー、高圧洗浄機、ラジコンカー、スノーモービル、ジェットスキー、船外機、モペッド、オートバイなどの一般的な動力源です。
内燃機関を分類する方法はいくつか存在する。
ストローク数別：
点火方式別：
機械的/熱力学的サイクルによる（これらのサイクルはあまり使用されないが、ハイブリッド車や燃費効率のために製造された他の車両によく見られる[ 21 ]）：
往復動式内燃機関の基部はエンジンブロックであり、これは通常、鋳鉄（耐摩耗性と低コストのため）[ 23 ]またはアルミニウムで作られています。後者の場合、シリンダーライナーは鋳鉄または鋼[ 24 ] 、あるいはニカシルやアルシルなどのコーティングで作られています。エンジンブロックにはシリンダーが収められています。複数のシリンダーを持つエンジンでは、通常、1列（ストレートエンジン）または2列（ボクサーエンジンまたはVエンジン）に配置されます。現代のエンジンでは、3列または4列（ Wエンジン）が使用されることもあり、他のエンジン構成も可能で、実際に使用されています。単気筒エンジン（またはサンパー）は、オートバイや軽機械に見られるその他の小型エンジンで一般的です。シリンダーの外側には、冷却液を含む通路がエンジンブロックに鋳造されていますが、一部の大型エンジンでは、通路は交換可能な取り外し可能なシリンダースリーブのタイプです。[ 23 ]水冷式エンジンには、エンジンブロック内に冷却液が循環する通路（ウォータージャケット）があります。小型エンジンの中には空冷式もあり、ウォータージャケットの代わりにシリンダーブロックから突き出たフィンによって、熱を直接空気に伝達してエンジンを冷却します。シリンダー壁は通常、ホーニング加工によってクロスハッチ仕上げが施され、より多くのオイルを保持できます。表面が粗すぎると、ピストンの過度の摩耗によってエンジンがすぐに損傷します。
ピストンは、圧縮空気と燃焼生成物の高圧からシリンダーの一端を密閉する短い円筒形の部品で、エンジンが作動している間、シリンダー内を連続的にスライドします。小型エンジンでは、ピストンはアルミニウム製ですが、大型の用途では、通常鋳鉄製です。[ 23 ]高性能用途では、強度を高めるために、ピストンはチタンまたは鍛造鋼で作られることもあります。ピストンの上面はクラウンと呼ばれ、通常は平らか凹面です。一部の2ストロークエンジンでは、偏向ヘッド付きピストンが使用されています。ピストンは底部が開いており、一体型の補強構造（ピストンウェブ）を除いて中空です。エンジンが作動しているとき、燃焼室内のガス圧がピストンクラウンに力を及ぼし、その力がウェブを介してガジョンピンに伝達されます。各ピストンには、円周にリングが取り付けられており、ガスがクランクケースに漏れたり、オイルが燃焼室に漏れたりするのを大部分防ぎます。[ 25 ]換気システムは、通常の運転中にピストンを通過して漏れる少量のガス（ブローバイガス）をクランクケースから排出し、蓄積してオイルを汚染したり腐食を引き起こしたりしないようにします。[ 23 ] 2ストロークガソリンエンジンでは、クランクケースは空気と燃料の経路の一部であり、連続的な流れがあるため、2ストロークエンジンには独立したクランクケース換気システムは必要ありません。
シリンダーヘッドは、多数のボルトまたはスタッドによってエンジンブロックに取り付けられています。シリンダーヘッドにはいくつかの機能があります。シリンダーヘッドは、ピストンとは反対側のシリンダーを密閉します。吸気と排気のための短いダクト（ポート）と、シリンダーに新鮮な空気を充填するために開く吸気バルブ、燃焼ガスを排出するために開く排気バルブがあります。バルブは多くの場合ポペットバルブ[ 26 ] [ 27 ]ですが、ロータリーバルブ[ 28 ]またはスリーブバルブ[ 26 ]の場合もあります。ただし、2ストローククランクケース掃気エンジンでは、ガスポートはポペットバルブなしでシリンダー壁に直接接続され、ピストンが代わりに開閉を制御します。シリンダーヘッドには、火花点火エンジンの場合はスパークプラグ、直接噴射を使用するエンジンの場合はインジェクターも保持されます。すべてのCI（圧縮点火）エンジンは燃料噴射を使用し、通常は直接噴射ですが、一部のエンジンは間接噴射を使用します。 SI（スパーク点火）エンジンは、キャブレターまたは燃料噴射をポート噴射または直接噴射として使用できます。ほとんどのSIエンジンはシリンダーごとに1つのスパークプラグを備えていますが、2つ備えているものもあります。ヘッドガスケットは、シリンダーヘッドとエンジンブロックの間からのガスの漏れを防ぎます。バルブの開閉は、1つまたは複数のカムシャフトとスプリング、または一部のエンジンではスプリングを使用しないデスモドロミック機構によって制御されます。カムシャフトはバルブのステムを直接押すか、ロッカーアームに作用し、これも直接またはプッシュロッドを介して作用します。
クランクケースの底部はオイルパンで密閉されており、通常の運転中にオイルが流れ落ちて再び循環するのを受け止めます。シリンダーブロックとオイルパンの間にできた空洞には、ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトが収められています。クランクシャフトはメインベアリングによってエンジンブロックに対して所定の位置に保持され、回転を可能にしています。クランクケース内の隔壁は、各メインベアリングの半分を形成し、残りの半分は取り外し可能なキャップです。場合によっては、複数の小さなキャップの代わりに、単一のメインベアリングデッキが使用されます。コネクティングロッドは、一方の端でクランクシャフトのオフセット部分（クランクピン）に接続され、もう一方の端でピストンピンを介してピストンに接続され、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換します。コネクティングロッドのピストンピンに接続されている端は小端、クランクシャフトに接続されているもう一方の端は大端と呼ばれます。大端部は、クランクシャフト周辺への組み立てを容易にするため、取り外し可能な半分の構造になっている。大端部は、取り外し可能なボルトによってコネクティングロッドに固定されている。
シリンダーヘッドには、対応するポートに吸気マニホールドと排気マニホールドが取り付けられています。吸気マニホールドは、エアフィルターに直接接続するか、キャブレターが装備されている場合はキャブレターに接続され、その後エアフィルターに接続されます。吸気マニホールドは、これらの装置から流入する空気を各シリンダーに分配します。排気マニホールドは、排気システムの最初の構成要素です。シリンダーからの排気ガスを集め、経路上の次の構成要素に送ります。内燃機関の排気システムには、触媒コンバーターとマフラーが含まれる場合もあります。排気ガスの経路の最終部分はテールパイプです。
ピストンの上死点(TDC) は、ピストンがバルブに最も近い位置です。下死点(BDC) は、ピストンがバルブから最も遠い反対の位置です。ストロークとは、ピストンが TDC から BDC へ、またはその逆へ移動する動作と、それに伴うプロセスです。エンジンが作動している間、クランクシャフトはほぼ一定の速度で連続的に回転します。4 ストローク ICE では、各ピストンは、クランクシャフトが 1 回転するごとに、次の順序で 2 ストロークを経験します。TDC から説明を開始すると、次のようになります。[ 29 ] [ 30 ]
この種のエンジンの特徴は、各ピストンがクランクシャフト1回転ごとに1サイクルを完了することです。吸気、圧縮、燃焼、排気の4つのプロセスはわずか2ストロークで行われるため、それぞれのプロセスに専用のストロークを割り当てることはできません。上死点から始まるサイクルは次のようになります。
4ストロークエンジンはピストンを容積式ポンプとして使用し、4ストロークのうち2ストロークで掃気を行うのに対し、2ストロークエンジンはパワーストロークの最後の部分と圧縮ストロークの最初の部分を吸排気に使用します。混合気と排気ガスを排出するために必要な仕事は、クランクケースまたは別のブロワーから得られます。掃気、つまり燃焼ガスの排出と新鮮な混合気の流入には、ループ掃気とユニフロー掃気の2つの主なアプローチが説明されています。2010年代にSAEニュースで発表された「ループ掃気」は、あらゆる状況でユニフロー掃気よりも優れているとのことです。[ 20 ]
SIエンジンの中には、クランクケース掃気方式を採用し、ポペットバルブを使用しないものもあります。代わりに、クランクケースとピストンより下のシリンダーの一部がポンプとして利用されます。吸気ポートは、エンジンによって駆動されるリードバルブまたはロータリーディスクバルブを介してクランクケースに接続されています。各シリンダーには、トランスファーポートがあり、片側がクランクケースに、もう片側がシリンダー壁に接続されています。排気ポートはシリンダー壁に直接接続されています。トランスファーポートと排気ポートはピストンによって開閉されます。クランクケース内の圧力が吸気圧よりわずかに低い場合、リードバルブが開き、新しい混合気が充填されます。これはピストンが上昇しているときに起こります。ピストンが下降すると、クランクケース内の圧力が上昇し、リードバルブがすぐに閉じ、クランクケース内の混合気が圧縮されます。ピストンが下降すると、排気ポートとトランスファーポートも開き、クランクケース内の混合気の圧力が上昇するため、トランスファーポートからシリンダー内に混合気が流入し、排気ガスが吹き出されます。潤滑は、燃料に2ストロークオイルを少量添加することによって行われます。ペトロイルとは、ガソリンと上記のオイルを混合したものを指します。この種の2ストロークエンジンは、同等の4ストロークエンジンに比べて効率が低く、以下の条件下でより多くの汚染物質を含む排気ガスを排出します。
このタイプの2ストロークエンジンの主な利点は、機械的な構造がシンプルで、 4ストロークエンジンに比べて出力重量比が高いことです。1サイクルあたりの動力行程が2倍あるにもかかわらず、実際に得られる出力は同等の4ストロークエンジンの2倍にも満たないのが現状です。
米国では、大気汚染を理由に、道路車両への2ストロークエンジンの使用が禁止された。オフロード専用のオートバイは今でも2ストロークエンジンを搭載していることが多いが、公道走行が認められているものは稀である。しかし、数千台もの2ストロークエンジン搭載の芝刈り機が現在も使用されている。
別個のブロワーを使用することで、クランクケース掃気方式の多くの欠点を回避できますが、その代償として構造が複雑化し、コストとメンテナンス要件が増加します。このタイプのエンジンは、吸気用にポートまたはバルブを、排気用にバルブを使用しますが、対向ピストンエンジンでは排気にもポートを使用する場合があります。ブロワーは通常ルーツ式ですが、他のタイプも使用されています。この設計はCIエンジンでは一般的で、SIエンジンでも時折使用されています。
ブロワーを使用するCIエンジンは、通常、ユニフロー掃気を使用します。この設計では、シリンダー壁には、ピストン冠が下死点に達したときの位置のすぐ上の円周に沿って均等な間隔で配置された複数の吸気ポートがあります。4ストロークエンジンと同様の排気バルブが1つまたは複数使用されます。吸気マニホールドの最終部分は、吸気ポートに空気を供給するエアスリーブです。吸気ポートは、燃焼を改善するために流入する混合気に渦流を与えるために、シリンダー壁に対して水平な角度で配置されています（つまり、ピストン冠と同じ平面にあります）。最大の往復式ICは、このタイプの低速CIエンジンです。これらは、船舶推進（船舶ディーゼルエンジンを参照）または発電に使用され、あらゆる種類の内燃機関の中で最高の熱効率を達成します。一部のディーゼル電気機関車エンジンは2ストロークサイクルで動作します。最も強力なものは、約4.5MWまたは6,000HPの制動出力を持ちます。 EMD SD90MAC型機関車はその一例である。同等のGE AC6000CW型機関車は、ほぼ同じ制動力を持つ原動機を備えながら、4ストロークエンジンを使用している。
このタイプのエンジンの例としては、大型コンテナ船で使用されているWärtsilä-Sulzer RTA96-Cターボチャージャー付き2ストロークディーゼルエンジンがあります。これは、熱効率が50%を超える世界で最も効率的で強力な往復動内燃機関です。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]比較のために、最も効率的な小型4ストロークエンジンの熱効率は約43%です（SAE 900648）。サイズが大きいほど、体積と表面積の比率が増加するため、効率に有利です。
外部リンクから、光学的に観察可能な2ストローク二輪車エンジンのシリンダー内燃焼の様子を撮影した動画をご覧ください。
ダガル・クラークは1879年に最初の2サイクルエンジンを開発した。このエンジンは、燃料混合気をシリンダーに送るためのポンプとして機能する独立したシリンダーを使用していた。[ 20 ]
1899年、ジョン・デイはクラークの設計を簡略化し、今日広く使われているタイプの2サイクルエンジンにしました。[ 34 ] デイサイクルエンジンはクランクケース掃気とポートタイミングを採用しています。クランクケースと排気ポートより下のシリンダーの部分がポンプとして使用されます。デイサイクルエンジンの動作は、クランクシャフトを回転させてピストンが下死点から上方（ヘッド方向）に移動し、クランクケース/シリンダー領域に真空を作り出すことから始まります。次に、キャブレターがリードバルブまたはロータリーディスクバルブ（エンジンによって駆動される）を介して燃料混合気をクランクケースに供給します。クランクケースからシリンダーのポートへの吸気用ダクトと、排気ポートから排気管へのダクトが鋳造されています。シリンダーの長さに対するポートの高さは「ポートタイミング」と呼ばれます。
エンジンの最初の上昇行程では、クランクケースが空なので、シリンダー内に燃料は吸入されません。下降行程では、ピストンが燃料混合気を圧縮します。燃料混合気にはオイルが添加されているため、シリンダー内のピストンとベアリングが潤滑されています。ピストンが下降すると、まず排気口が開きますが、最初の行程では燃焼済みの燃料は排出されません。ピストンがさらに下降すると、クランクケースにつながるダクトのある吸気ポートが開きます。クランクケース内の燃料混合気は加圧されているため、混合気はダクトを通ってシリンダー内に入ります。
ピストンが排気ポートを閉じるほど上昇する前に、シリンダー内に燃料が排気ポートから直接排出されるのを妨げるものがないため、初期のエンジンでは、燃料の流れを遅くするためにドーム型のピストンが使用されていました。その後、膨張室設計を使用して燃料をシリンダー内に「共鳴」させるようになりました。ピストンが上死点近くまで上昇すると、火花が燃料に点火します。ピストンが動力によって下降すると、まず燃焼した燃料が高圧で排出される排気ポートが開き、次にプロセスが完了して繰り返し行われる吸気ポートが開きます。
後期のエンジンでは、性能向上のためにドゥーツ社が考案したポート方式が採用された。これはシュヌール逆流システムと呼ばれた。1932年、アウトウニオンAGは高速2ストロークエンジンの独占ライセンスを取得した。同年後半、DKWブロック350は、新たに取得した技術に改造された最初のオートバイモデルとなった。アウトウニオンAGによる逆掃気システムのさらなる開発は、小型2ストロークエンジンの構造に革命をもたらした。[ 35 ]
Internal combustion engines require ignition of the mixture, either by spark ignition (SI) or compression ignition (CI). Before the invention of reliable electrical methods, hot tube and flame methods were used. Experimental engines with laser ignition have been built.[36]
The spark-ignition engine was a refinement of the early engines which used Hot Tube ignition. When Bosch developed the magneto it became the primary system for producing electricity to energize a spark plug.[37] Many small engines still use magneto ignition. Small engines are started by hand cranking using a recoil starter or hand crank. Prior to Charles F. Kettering of Delco's development of the automotive starter all gasoline engined automobiles used a hand crank.[38]
Larger engines typically power their starting motors and ignition systems using the electrical energy stored in a lead–acid battery. The battery's charged state is maintained by an automotive alternator or (previously) a generator which uses engine power to create electrical energy storage.
The battery supplies electrical power for starting when the engine has a starting motor system, and supplies electrical power when the engine is off. The battery also supplies electrical power during rare run conditions where the alternator cannot maintain more than 13.8 volts (for a common 12 V automotive electrical system). As alternator voltage falls below 13.8 volts, the lead-acid storage battery increasingly picks up electrical load. During virtually all running conditions, including normal idle conditions, the alternator supplies primary electrical power.
Some systems disable alternator field (rotor) power during wide-open throttle conditions. Disabling the field reduces alternator pulley mechanical loading to nearly zero, maximizing crankshaft power. In this case, the battery supplies all primary electrical power.
Gasoline engines take in a mixture of air and gasoline and compress it by the movement of the piston from bottom dead center to top dead center when the fuel is at maximum compression. The reduction in the size of the swept area of the cylinder and taking into account the volume of the combustion chamber is described by a ratio. Early engines had compression ratios of 6 to 1. As compression ratios were increased, the efficiency of the engine increased as well.
初期の吸気・点火システムでは、圧縮比を低く抑える必要がありました。燃料技術と燃焼管理の進歩により、高性能エンジンは12:1の圧縮比でも安定して作動できるようになりました。オクタン価の低い燃料では、燃料が着火する際に温度が上昇し、圧縮比が上昇するという問題が発生しました。チャールズ・ケタリングは、より高い圧縮比を可能にする鉛添加剤を開発しましたが、鉛中毒の懸念などもあり、1970年代以降、自動車用途では次第に使用されなくなりました。
燃料混合気は、シリンダー内のピストンのさまざまな進行段階で点火されます。低回転数では、点火タイミングはピストンが上死点に達する直前になります。より大きな出力を得るために、回転数が上がるにつれて、ピストンの動きの途中で点火タイミングが早まります。回転数が上がるにつれて、燃料が徐々に圧縮されている間に点火が行われます。[ 39 ]
必要な高電圧（通常10,000ボルト）は、誘導コイルまたは変圧器によって供給されます。誘導コイルはフライバック方式で、同期式遮断器を介して一次側電流を遮断します。遮断器は接点またはパワートランジスタのいずれかです。このタイプの点火方式の問題点は、回転数（RPM）が上昇するにつれて利用可能な電気エネルギーが減少することです。特に、より密度の高い燃料混合気を点火するために必要なエネルギー量が多いため、これは大きな問題となります。その結果、高回転域で失火が発生することがよくありました。
コンデンサ放電点火方式が開発されました。これは、スパークプラグに送られる上昇電圧を生成します。CDシステムの電圧は60,000ボルトに達することがあります。[ 40 ] CD点火は昇圧トランスを使用します。昇圧トランスは、静電容量に蓄えられたエネルギーを使用して電気火花を生成します。どちらのシステムでも、機械的または電気的な制御システムが、適切なシリンダーに慎重にタイミングを合わせた高電圧を提供します。この火花は、スパークプラグを介して、エンジンのシリンダー内の空気と燃料の混合気に点火します。
ガソリン内燃機関はディーゼルエンジンよりも寒冷地での始動がはるかに容易ですが、極端な条件下では依然として寒冷地での始動に問題が生じる可能性があります。長年、その解決策は車を暖房の効いた場所に駐車することでした。世界のいくつかの地域では、実際にオイルを抜き取って一晩加熱し、エンジンに戻して冷間始動を行っていました。1950年代初頭には、ガソリンガス化装置が開発されました。これは、寒冷地での始動時に、生のガソリンを装置に送り込み、燃料の一部を燃焼させて残りの部分を高温の蒸気に変え、それを直接吸気バルブマニホールドに送るというものです。この装置は、寒冷地で販売されるガソリンエンジンに電気式エンジンブロックヒーターが標準装備されるまで、非常に人気がありました。[ 41 ]
ディーゼル、PPC、HCCIエンジンは、点火のために、エンジンの圧縮プロセスで発生する高温高圧のみに依存します。発生する圧縮レベルは通常、ガソリン エンジンの 2 倍以上です。ディーゼル エンジンは空気のみを吸入し、最大圧縮の直前に、燃料インジェクターを介して少量のディーゼル燃料をシリンダーに噴射し、燃料が瞬時に着火します。HCCI タイプのエンジンは空気と燃料の両方を吸入しますが、高圧と高温のため、補助なしの自己燃焼プロセスに依存し続けます。これが、ディーゼル エンジンと HCCI エンジンが、始動後は寒い天候でも同様に動作するものの、冷間始動の問題を起こしやすい理由でもあります。自動車や小型トラックの間接噴射式小型ディーゼル エンジンは、グロープラグ(またはその他の予熱: Cummins ISB#6BT を参照) を使用して、始動直前に燃焼室を予熱し、寒冷時の始動不能状態を軽減します。ほとんどのディーゼルには、バッテリーと充電システムも備わっています。しかしながら、このシステムは二次的なものであり、始動の容易さ、燃料のオン/オフ切り替え（スイッチや機械装置でも可能）、補助電気部品やアクセサリーの動作といった利便性のために、メーカーが付加する付加機能に過ぎません。最新のエンジンのほとんどは、燃焼プロセスを調整して効率を高め、排出ガスを削減する電気式および電子式のエンジン制御ユニット（ECU）に依存しています。
接触面および相対運動面は、摩耗や騒音を低減し、摩擦を克服する際の動力損失を減らすことで効率を高め、あるいは機構を動作させるために潤滑が必要です。また、使用する潤滑剤は過剰な熱を低減し、部品に追加の冷却効果をもたらすこともできます。少なくとも、エンジンでは以下の部分に潤滑が必要です。
2ストローククランクケース掃気エンジンでは、空気・燃料・オイル混合気中の2ストロークオイルがクランクケース内部、ひいてはクランクシャフト、コネクティングロッド、ピストン底部に噴霧され、燃料とともに燃焼される。バルブトレインは潤滑油で満たされた区画内に収容できるため、オイルポンプは不要となる。
スプラッシュ潤滑システムでは、オイルポンプは使用されません。代わりに、クランクシャフトがオイルパン内のオイルに浸かり、高速回転によってクランクシャフト、コンロッド、ピストン底部にオイルが飛散します。コンロッド大端部キャップには、この効果を高めるためのスクープが取り付けられている場合があります。バルブトレインは、オイルで満たされた区画に密閉されている場合もあれば、飛散したオイルを受け取ってオイルパンに戻るようにクランクシャフトに開放されている場合もあります。スプラッシュ潤滑は、小型4ストロークエンジンでよく用いられます。
強制潤滑（加圧潤滑とも呼ばれる）システムでは、潤滑は閉ループ内で行われ、エンジンオイルがシステムによって潤滑される表面に供給され、その後オイルはリザーバーに戻されます。エンジンの補助機器は通常このループでは潤滑されません。たとえば、オルタネーターは独自の潤滑剤で密閉されたボールベアリングを使用する場合があります。オイルのリザーバーは通常オイルパンであり、この場合、ウェットサンプシステムと呼ばれます。別のオイルリザーバーがある場合でも、クランクケースはオイルを受け止めますが、専用ポンプによって連続的に排出されます。これはドライサンプシステムと呼ばれます。
オイルパンの底部には、メッシュフィルターで覆われたオイルインテークがあり、これはオイルポンプに接続され、さらにクランクケース外部のオイルフィルターに接続されています。そこからオイルはクランクシャフトのメインベアリングとバルブトレインに送られます。クランクケースには、オイルフィルターからオイルが供給されるオイルギャラリー（クランクケース壁の内側の導管）が少なくとも1つあります。メインベアリングには、円周全体または半分に溝があり、オイルはオイルギャラリーに接続された通路からこれらの溝に入ります。クランクシャフトには、これらの溝からオイルを取り出し、大端ベアリングに供給する穴があります。すべての大端ベアリングはこのようにして潤滑されます。1つのメインベアリングは、0個、1個、または2個の大端ベアリングにオイルを供給することができます。同様のシステムをピストン、ピストンピン、およびコネクティングロッドの小端の潤滑にも使用できます。このシステムでは、コネクティングロッドの大端にクランクシャフトの周囲に溝があり、その溝に接続された穴からオイルがピストンの底部に、そしてシリンダーに分配されます。
シリンダーとピストンを潤滑するために、他のシステムも使用される。コネクティングロッドには、シリンダーとピストンの底部にオイルジェットを噴射するためのノズルが備えられている場合がある。このノズルは、潤滑対象のシリンダーに対して相対的に移動するが、常にシリンダーまたは対応するピストンの方を向いている。
一般的に、強制潤滑システムでは、冷却を補助するために、十分な潤滑に必要な量よりも多くの潤滑油が供給されます。具体的には、潤滑システムは高温のエンジン部品から冷却液（水冷エンジンの場合）またはフィン（空冷エンジンの場合）へ熱を移動させ、そこから周囲環境に熱を伝達します。潤滑油は、化学的に安定しており、エンジン内で遭遇する温度範囲内で適切な粘度を維持するように設計する必要があります。
一般的なシリンダー形状としては、直線型（インライン型）、よりコンパクトなV型、そして幅広で滑らかな水平型（ボクサー型）などがある。航空機エンジンでは、より効果的な冷却を可能にするラジアル型を採用することもある。H型、U型、X型、W型といった、より特殊な形状も使用されている。
多気筒エンジンでは、ピストンがサイクルの異なる位置にあるようにバルブトレインとクランクシャフトが構成されています。特に過給エンジンでは、ピストンのサイクルが均等に間隔を空ける（これを均等点火と呼ぶ）ことが望ましいです。これによりトルク脈動が低減され[ 42 ]、3気筒を超える直列エンジンは主力において静的にバランスが取れます。しかし、エンジンの構成によっては、均等点火よりも優れたバランスを実現するために奇数点火が必要となる場合があります。たとえば、4ストロークI2エンジンでは、クランクピン間の角度が180°の場合、ピストンが反対方向に動き慣性力が部分的に相殺されるため、バランスが優れていますが、これにより、一方のシリンダーがもう一方のシリンダーの180°回転後に点火し、その後540°の間シリンダーが点火しないという奇数点火パターンになります。均等点火パターンでは、ピストンは同期して動き、関連する力が加算されます。
複数のクランクシャフト構成では、シリンダーの両端にピストンを配置する対向ピストン設計を採用できるため、必ずしもシリンダーヘッドは必要ありません。燃料の吸入口と排出口がシリンダーの両端に配置されているため、4ストロークエンジンと同様に、広いエンジン回転数範囲で効率的なユニフロー掃気を実現できます。シリンダーヘッドがないため、熱効率も向上します。この設計は、単一のシリンダーバンクの両端に2本のクランクシャフトを使用するユンカース Jumo 205ディーゼル航空機エンジンや、最も有名なのはネイピアデルティック ディーゼルエンジンで使用されました。ネイピア デルティックディーゼルエンジンでは、3本のクランクシャフトを使用して、クランクシャフトが角に位置する正三角形に配置された3つの両端シリンダーバンクを駆動しました。また、単一バンクの機関車エンジンにも使用され、現在でも船舶用推進エンジンや船舶用補助発電機に使用されています。
ほとんどのトラックや乗用車のディーゼルエンジンは、4ストロークサイクルに似たサイクルを使用していますが、別途点火システムを必要としない、圧縮による温度上昇が着火の原因となります。この方式はディーゼルサイクルと呼ばれます。ディーゼルサイクルでは、ピストンが動くにつれて一定圧力下で燃焼が起こるように、ディーゼル燃料がシリンダー内に直接噴射されます。
オットーサイクルは、ガソリンを燃料とするほとんどの自動車の内燃機関で最も一般的なサイクルです。吸気、圧縮、点火、膨張、排気という、4ストロークエンジンで説明されている主要なステップと同じ構成になっています。
1879年、ニコラウス・オットーは、低圧の大きなシリンダーの両側に2つの小さなシリンダーがあり、そこで排気行程ガスの2回目の膨張が行われる二重膨張エンジン（二重膨張と三重膨張の原理は蒸気機関で広く使用されていた）を製造・販売したが、所有者は性能が悪いとして返品した。1906年、この概念はEHV（アイゼンフート無馬車会社）が製造した自動車に組み込まれた[ 43 ] 。そして21世紀には、イルモアが高出力かつ低SFC（比燃料消費量）の5ストローク二重膨張内燃機関を設計し、試験に成功した[ 44 ] 。
6ストロークエンジンは1883年に発明されました。6ストロークエンジンには、通常のシリンダー内に通常のピストンを使用する4種類（グリフィン式6ストローク、バジュラズ式6ストローク、ベロゼタ式6ストローク、クロワー式6ストローク）があり、クランクシャフトが3回転するごとに点火します。これらのシステムは、4ストロークオットーサイクルの廃熱を空気または水の噴射によって回収します。
ベアヘッドエンジンと「ピストンチャージャー」エンジンは、対向ピストンエンジンとして動作し、1つのシリンダー内に2つのピストンがあり、4ストロークエンジンのように4回転ごとではなく、2回転ごとに点火する。
初期の内燃機関は混合気を圧縮しませんでした。ピストンの下降行程の最初の部分で燃料と空気の混合気が吸い込まれ、その後吸気弁が閉じ、下降行程の残りの部分で燃料と空気の混合気が燃焼しました。排気弁はピストンの上昇行程で開きました。蒸気機関の原理を模倣しようとしたこれらの試みは非常に非効率的でした。これらのサイクルには多くのバリエーションがあり、最も有名なのはアトキンソンサイクルとミラーサイクルです。
分割サイクルエンジンは、吸気、圧縮、燃焼、排気の4つの行程を、それぞれ独立した2つのシリンダーに分割します。最初のシリンダーは吸気と圧縮に使用されます。圧縮された空気は、クロスオーバー通路を通って圧縮シリンダーから2番目のシリンダーに送られ、そこで燃焼と排気が行われます。分割サイクルエンジンは、片側に空気圧縮機、もう片側に燃焼室を備えた構造と言えます。
従来の分割サイクルエンジンには、吸排気効率の悪さと熱効率の低さという2つの大きな問題がありました。しかし、これらの問題に対処する新しい設計が導入されています。Scuderiエンジンは、さまざまなターボチャージャー技術によってピストンとシリンダーヘッド間のクリアランスを小さくすることで吸排気問題を解決します。Scuderi設計では、外向きに開くバルブを使用することで、バルブの干渉を受けることなくピストンをシリンダーヘッドに非常に近づけることができます。Scuderiは、上死点後燃焼（ATDC）によって熱効率の低さを解消します。
ATDC点火は、トランスファー通路に高圧空気を流し込み、パワーシリンダー内に音速流と高乱流を発生させることで実現できる。
ジェットエンジンは、複数のファンブレード列を使用して空気を圧縮し、それを燃焼器に送り込み、そこで燃料（通常はジェット燃料）と混合して点火します。燃料の燃焼により空気の温度が上昇し、エンジンから排出されて推力が発生します。最新のターボファンエンジンは、最大48%の効率で動作できます。[ 45 ]
ターボファンエンジンは6つの部分から構成されています。
ガスタービンは空気を圧縮し、その力でタービンを回転させます。基本的には、出力をシャフトに伝えるジェットエンジンです。タービンには3つの段階があります。1) 圧縮機を通して空気が吸い込まれ、圧縮によって温度が上昇します。2)燃焼器で燃料が加えられます。3) 高温の空気がタービンブレードを通して排出され、圧縮機に接続されたシャフトを回転させます。
ガスタービンは、原理的には蒸気タービンに似た回転機械であり、圧縮機、燃焼室、タービンの 3 つの主要コンポーネントで構成されています。圧縮機で圧縮された空気の温度は、燃料を燃焼させることで上昇します。加熱された空気と燃焼生成物はタービンで膨張し、仕事出力を生成します。仕事の約 2/3 は圧縮機を駆動し、残りの (約1/3 )は有効な仕事出力として利用できます。[ 47 ]
ガスタービンは最も効率的な内燃機関の一つである。ゼネラル・エレクトリックの7HAおよび9HAタービン複合サイクル発電所は、61%を超える効率で評価されている。[ 48 ]
ガスタービンは、原理的には蒸気タービンとやや類似した回転機械です。コンプレッサー、燃焼室、タービンの3つの主要部品から構成されています。空気はコンプレッサーで圧縮され、その過程で温度が上昇します。圧縮された空気は、燃焼室で噴射された燃料の燃焼によってさらに温度が上昇し、膨張します。このエネルギーによってタービンが回転し、機械的な連結機構を介してコンプレッサーを駆動します。そして、高温のガスが排出され、推力を発生させます。
ガスタービンサイクルエンジンは、圧縮、燃焼、膨張がエンジン内の異なる場所で同時に起こる連続燃焼システムを採用しており、連続的な動力を供給します。特筆すべきは、オットーサイクルのように定容ではなく、定圧で燃焼が行われる点です。
ヴァンケルエンジン（ロータリーエンジン）にはピストンストロークがありません。4ストロークエンジンと同様に、各フェーズがエンジン内の別々の場所で発生するという、フェーズ分離方式で動作します。熱力学的にはオットーサイクルに従うため、「4フェーズ」エンジンと考えることができます。ローター1回転あたり3回のパワーストロークが発生するのは事実ですが、ローターと偏心軸の回転比が3:1であるため、実際には軸1回転あたり1回のパワーストロークしか発生しません。駆動（偏心）軸は、オットーサイクルのように2回転（クランクシャフト）するのではなく、パワーストロークごとに1回転するため、ピストンエンジンよりも高い出力重量比を実現しています。このタイプのエンジンは、マツダRX-8、初期のRX-7、その他の車種で最もよく使用されました。また、小型軽量で出力重量比が高いことが利点となる無人航空機にも使用されています。
強制吸気とは、圧縮空気を内燃機関の吸気口に送り込むプロセスです。強制吸気エンジンは、ガスコンプレッサーを使用して空気の圧力、温度、密度を高めます。強制吸気を行わないエンジンは、自然吸気エンジンと呼ばれます。
過給は、エンジンの出力と効率を高めるために自動車産業や航空産業で用いられています。特に航空機エンジンは高高度での運転が必要となるため、過給は大きな効果を発揮します。
過給はスーパーチャージャーによって実現され、スーパーチャージャーでは圧縮機がエンジンのシャフトから直接動力を供給されるか、ターボチャージャーではエンジンの排気ガスで駆動されるタービンから動力が供給される。
内燃機関はすべて、化学燃料の燃焼に依存しており、通常は空気中の酸素を使用します（ただし、亜酸化窒素を噴射して同様の燃焼をさらに促進し、出力を向上させることも可能です）。燃焼プロセスでは、通常、大量の熱エネルギーと、蒸気、二酸化炭素、その他の化学物質が非常に高温で生成されます。到達する温度は、燃料と酸化剤の化学組成（化学量論を参照）に加え、圧縮比やその他の要因によって決まります。
現代の燃料で最も一般的なものは炭化水素で構成されており、主に化石燃料（石油）から得られます。化石燃料には、ディーゼル燃料、ガソリン、石油ガス、そしてまれにプロパンが含まれます。燃料供給部品を除けば、ガソリン用に設計されたほとんどの内燃機関は、大きな改造なしに天然ガスまたは液化石油ガスで稼働できます。大型ディーゼルエンジンは、ガスと混合した空気とパイロットディーゼル燃料点火噴射で稼働できます。エタノールやバイオディーゼル（大豆油などのトリグリセリドを生成する作物から生産されるディーゼル燃料の一種）などの液体および気体のバイオ燃料も使用できます。適切な改造を施したエンジンは、水素ガス、木質ガス、木炭ガス、および他の便利なバイオマスから作られるいわゆる生成ガスでも稼働できます。マグネシウム噴射サイクルなどの粉末固体燃料を使用した実験も行われています。
現在使用されている燃料は以下のとおりです。
流動化した金属粉末や爆薬も一部で使用されている。燃料としてガスを使用するエンジンはガスエンジンと呼ばれ、液体炭化水素を使用するエンジンはオイルエンジンと呼ばれる。ただし、ガソリンエンジンは口語的に「ガスエンジン」（北米以外では「ペトロルエンジン」）と呼ばれることもよくある。
燃料に関する主な制約は、燃料が燃料供給システムを通して燃焼室まで容易に輸送できること、そして燃焼時にエンジンを実用的に利用するのに十分な熱エネルギーを放出することである。
ディーゼルエンジンは一般的にガソリンエンジンよりも重く、騒音が大きく、低速域での出力が高い。また、ほとんどの場合、燃費効率も優れており、大型道路車両、一部の自動車（ガソリンエンジンよりも燃費効率が良いことから、ますます普及が進んでいる）、船舶、鉄道機関車、軽飛行機などに使用されている。ガソリンエンジンは、ほとんどの乗用車、オートバイ、モペッドなど、その他のほとんどの道路車両に使用されている。ヨーロッパでは、1990年代以降、高性能ディーゼルエンジン搭載車が市場の約45%を占めるようになった。水素、メタノール、エタノール、液化石油ガス（LPG）、バイオディーゼル、パラフィン、トラクター気化油（TVO）で動くエンジンもある。
水素は将来的に、従来の内燃機関における化石燃料に取って代わる可能性がある。あるいは、燃料電池技術がその可能性を実現し、内燃機関の使用が段階的に廃止される可能性さえある。
水素を自由に生成する方法は複数ありますが、それらの方法では可燃性分子を水素に変換するか、電気エネルギーを消費する必要があります。その電気が再生可能エネルギー源から生成され、他の用途に必要とされない限り、水素はエネルギー危機を解決するものではありません。多くの状況において、炭素燃料と比較した場合の水素の欠点は、その貯蔵です。液体水素は密度が非常に低く（水の14分の1）、広範囲の断熱が必要であり、気体水素は大型のタンクが必要です。液化しても、水素の比エネルギーは高くなりますが、体積あたりのエネルギー貯蔵量はガソリンの約5分の1です。しかし、水素のエネルギー密度は電気電池よりもかなり高いため、化石燃料に代わるエネルギーキャリアとして有力な候補となっています。「オンデマンド水素」プロセス（直接ホウ水素化物燃料電池を参照）は必要に応じて水素を生成しますが、原料である水素化ホウ素ナトリウムの価格が高いなど、他の問題があります。
地表付近には空気が豊富にあるため、酸化剤としては通常、大気中の酸素が用いられます。これは、機体内部に酸素を貯蔵する必要がないという利点があります。これにより、出力重量比と出力容積比が向上します。その他の材料は、出力向上や水中・宇宙空間での運用を可能にするなど、特殊な目的に使用されます。
過剰な熱を除去するには冷却が必要です。高温は、通常、摩耗（高温による潤滑不良が原因）、亀裂、または歪みによってエンジンの故障を引き起こす可能性があります。エンジンの冷却方法として最も一般的なのは、空冷と水冷の2種類です。現代の自動車用エンジンのほとんどは、水冷と空冷の両方の方式を採用しており、水/液体冷却液は空冷フィンやファンに送られます。一方、大型エンジンは、定置式で水道管や淡水から常に水が供給されるため、水冷のみの場合もあります。また、ほとんどの電動工具用エンジンやその他の小型エンジンは空冷です。一部のエンジン（空冷または水冷）には、オイルクーラーも備わっています。一部のエンジン、特にタービンエンジンのブレード冷却や液体ロケットエンジンの冷却では、燃料が冷却剤として使用され、燃焼室に噴射される前に同時に予熱されます。
内燃機関は、そのサイクルを開始する必要があります。往復動エンジンでは、クランクシャフト（ヴァンケルローターシャフト）を回転させることで、吸気、圧縮、燃焼、排気のサイクルが誘発されます。最初のエンジンはフライホイールを回して始動し、最初の車両（ダイムラー・ライトワーゲン）は手動クランクで始動しました。チャールズ・ケタリングが自動車用の電気スターターを開発するまで、内燃機関を搭載した自動車はすべて手動クランクで始動していました。[ 51 ]この方法は現在、自動車以外のものでも最も広く使用されています。
ディーゼルエンジンが大型化し、機構が重くなるにつれて、エアスターターが使用されるようになった。[ 52 ]これは、電気スターターのトルク不足によるものである。エアスターターは、圧縮空気をエンジンのシリンダーに送り込んで回転を開始させることで機能する。
二輪車のエンジン始動方法は、以下の4つのいずれかです。
また、クランクを回すことでバネを圧縮し、そのバネを使ってエンジンを始動させるタイプのスターターもある。
小型エンジンの中には、「リコイルスターター」と呼ばれるプルロープ式の始動機構を採用しているものがあります。これは、エンジンを始動するためにロープを引き出すと、ロープが自動的に巻き戻される仕組みです。この方式は、手押し式芝刈り機など、エンジンを回転させるのにわずかなトルクしか必要としない場面でよく用いられます。
タービンエンジンは、多くの場合、電動モーターまたは圧縮空気によって始動される。
エンジンの種類は、さまざまな点で大きく異なります。
点火・燃焼後、燃焼生成物である高温ガスは、元の圧縮燃料・空気混合物（化学エネルギーが高かった）よりも多くの熱エネルギーを持つ。この利用可能なエネルギーは、より高い温度と圧力として現れ、エンジンによって運動エネルギーに変換される。往復動エンジンでは、シリンダー内の高圧ガスがエンジンのピストンを駆動する。
利用可能なエネルギーが除去されると、残った高温ガスは（多くの場合、バルブを開くか排気口を露出させることで）排出され、ピストンは元の位置（上死点、TDC）に戻ります。その後、ピストンはサイクルの次の段階に進みますが、その段階はエンジンによって異なります。仕事に変換されなかった熱エネルギーは通常、廃棄物とみなされ、空冷または液冷システムによってエンジンから除去されます。
内燃機関は熱機関とみなされます（燃焼による化学エネルギーの放出は、エンジンへの熱伝達と同じ効果を持つため）。そのため、その理論的な効率は理想化された熱力学サイクルによって近似できます。理論的なサイクルの熱効率はカルノーサイクルの効率を超えることはできません。カルノーサイクルの効率は、エンジンの下限運転温度と上限運転温度の差によって決まります。エンジンの上限運転温度は、主に2つの要因によって制限されます。1つは材料の熱運転限界、もう1つは燃料の自己着火抵抗です。すべての金属と合金には熱運転限界があり、より高い熱安定性と望ましい構造特性を持つセラミック材料に関する研究が盛んに行われています。熱安定性が高いほど、下限（周囲）運転温度と上限運転温度の温度差が大きくなり、熱力学的効率が向上します。また、シリンダー温度が上昇すると、燃料は自己着火しやすくなります。これは、シリンダー温度が燃料の引火点に近づくと発生します。この時点で、点火プラグが点火する前に自然発火が発生し、シリンダー内圧が過剰になる可能性があります。自己着火は、自己着火抵抗の高い燃料（オクタン価の高い燃料）を使用することで軽減できますが、それでも許容されるシリンダーの最高温度の上限は決まります。
熱力学的限界は、エンジンが理想的な条件下、すなわち摩擦のない世界、理想気体、完全な絶縁体、そして無限の時間運転されることを前提としています。実際のアプリケーションでは、効率を低下させる複雑な要素が加わります。たとえば、実際のエンジンは、パワーバンドと呼ばれる特定の負荷で最もよく動作します。高速道路を巡航している車のエンジンは、急加速に必要な高負荷に対応するように設計されているため、通常は理想的な負荷よりもかなり低い負荷で動作しています。さらに、風抵抗などの要因によって、システム全体の効率が低下します。車両の燃費は、 1ガロンあたりのマイル数または100キロメートルあたりのリットル数で測定されます。炭化水素の体積は、標準的なエネルギー含有量を前提としています。
ターボチャージャーや純正の効率向上装置を使用しても、ほとんどのエンジンの平均効率は約 18〜20% にとどまります。[ 53 ]しかし、フォーミュラ ワン エンジンの最新技術では、熱効率が 50% を超えています。[ 54 ] IC エンジンの効率を高めることを目的とした発明は数多くあります。一般的に、実用的なエンジンは常に、効率、重量、出力、熱、応答性、排気ガス排出量、騒音などのさまざまな特性間のトレードオフによって妥協されます。経済性も、エンジンの製造コスト、および燃料の製造と流通コストに影響を与える場合があります。エンジンの効率を高めると燃費が向上しますが、これはエネルギー含有量あたりの燃料コストが同じ場合に限ります。
定置式エンジンおよびプロペラエンジンを含む軸エンジンの場合、燃料消費量は、燃料消費の質量流量を発生した出力で割った値であるブレーキ比燃料消費量を計算することによって測定されます。
ジェットエンジンなどの内燃機関では、出力は対気速度によって大きく変化するため、より変動の少ない指標として推力比燃料消費量（TSFC）が用いられます。TSFCとは、ポンド力時で測定される推力を発生させるために必要な推進剤の質量、または1キロニュートン秒の推力を発生させるために必要な推進剤のグラム数です。
ロケットの場合、TSFC（燃料消費率）を使用することもできますが、一般的には、比推力や有効排気速度など、他の同等の指標が従来から使用されています。
往復動内燃機関などの内燃機関は、炭素系燃料の不完全燃焼により大気汚染物質を排出する。この過程の主な副産物は二酸化炭素（CO₂）である。2、水とすす（粒子状物質（PM）とも呼ばれる）。 [ 55 ]粒子状物質の吸入の影響は、人間と動物で研究されており、喘息、肺がん、心血管疾患、早死などが含まれる。 [ 56 ]ただし、運転条件と燃料空気比によっては、窒素酸化物や硫黄燃焼プロセスのその他の生成物もある
内燃機関（特にガソリンやディーゼルなどの化石燃料を使用するもの）からの二酸化炭素排出は、人為的な気候変動の一因となっている。エンジンの燃費効率を高めることで二酸化炭素排出量を削減することはできるが、完全にゼロにすることはできない。2炭素系燃料の燃焼によりCO2. COを除去して以来エンジン排気ガスからのエネルギー回収は非現実的であるため、代替エネルギーへの関心が高まっている。バイオ燃料、合成燃料、バッテリー駆動の電気モーター
燃料のすべてが燃焼プロセスで完全に消費されるわけではありません。燃焼後には少量の燃料が残り、その一部が反応してホルムアルデヒドやアセトアルデヒドなどの酸素化合物、または入力燃料混合物には元々含まれていなかった炭化水素を生成します。不完全燃焼は通常、理想的な化学量論比を達成するのに十分な酸素がないために発生します。炎は比較的低温のシリンダー壁によって「消炎」され、未反応の燃料が排気とともに排出されます。低速運転時には、天然ガスで稼働するディーゼル（圧縮着火）エンジンで消炎がよく見られます。消炎は効率を低下させ、ノッキングを増加させ、場合によってはエンジンの停止を引き起こします。不完全燃焼は一酸化炭素（CO）の生成にもつながります。さらに、ベンゼンや1,3-ブタジエンといった有害な大気汚染物質も放出されます。
エンジン内の空気量を増やすと、不完全燃焼生成物の排出量は減少しますが、同時に空気中の酸素と窒素の反応を促進して窒素酸化物（NOx）を生成します。NOxは植物と動物の健康に有害であり、オゾン（O3）の生成につながります。3 ) オゾンは直接放出されるものではなく、NOxと揮発性有機化合物は人間の健康と環境に有害です。同じ化学物質ではありますが、地表オゾンは、有害な紫外線から地球を守る成層圏オゾン、つまりオゾン層
硫黄を含む炭素燃料は、一酸化硫黄（SO）と二酸化硫黄（SO₂）を生成する。2 )酸性雨。
米国では、窒素酸化物、PM2.5、一酸化炭素、二酸化硫黄、オゾンは、大気浄化法に基づき、人間の健康と福祉が保護されるレベルまで規制された基準大気汚染物質として扱われています。ベンゼンや1,3-ブタジエンなどのその他の汚染物質は、有害大気汚染物質として規制されており、技術的および実際的な考慮事項に応じて、その排出量を可能な限り削減する必要があります。
NOx、一酸化炭素、その他の汚染物質は、排気ガスの一部をエンジンの吸気系に戻す 排気ガス再循環によって制御されることが多い。触媒コンバーターは、排気ガス中の化学物質をCOに変換するために使用される。2（温室効果ガス）、H2 O（水蒸気、温室効果ガスでもある）とN2（窒素）。
多くの国で使用されている排出ガス基準には、公道で運行されない機器や車両で使用される非道路用エンジンに対する特別な要件があります。これらの基準は道路車両とは別になっています。 [ 57 ]
騒音公害の大きな原因の一つは内燃機関である。高速道路や一般道路を走行する自動車やトラックの交通も騒音を発生させ、ジェットエンジンの騒音、特に超音速機の騒音も騒音の原因となる。ロケットエンジンは最も激しい騒音を発生させる。
内燃機関はアイドリング中も燃料を消費し、汚染物質を排出し続ける。アイドリングはストップスタートシステムによって削減される。
1リットルのディーゼル燃料（またはガソリン）が燃焼したときに放出される二酸化炭素の質量を推定する良い方法は次のとおりです。[ 58 ]
おおよそディーゼルの化学式はCである。n H2n。実際にはディーゼルはさまざまな分子の混合物です。炭素のモル質量は 12 g/mol、水素 (原子) のモル質量は約 1 g/mol なので、ディーゼル中の炭素の重量分率は約12⁄14。
ディーゼル燃焼の反応式は次のとおりです。
2 Cn H2n + 3nO2 ⇌2nCO2 + 2nH2 O
二酸化炭素のモル質量は44g/molです。これは、酸素原子2個（16g /mol）と炭素原子1個（12g/mol）から構成されているためです。したがって、 炭素12gから 二酸化炭素44gが生成されます。
ディーゼル燃料の密度は 1リットルあたり0.838kgである。
すべてをまとめると、ディーゼル燃料1リットルを燃焼させた際に発生する二酸化炭素の質量は、次のように計算できます。
この推定によって得られた数値は、文献に見られる値に近い。
ガソリンの密度は0.75 kg/L、炭素原子と水素原子の比率は約6対14であるため、ガソリン1リットルを燃焼させた際に発生する二酸化炭素排出量の推定値は以下のとおりです。
寄生損失という用語は、エンジンのエネルギー生成能力を高めたり、エネルギーを運動エネルギーに変換したりするために、エンジンからエネルギーを取り出す装置によく用いられます。内燃機関においては、駆動系を含むほぼすべての機械部品が寄生損失を引き起こし、したがって寄生負荷として特徴づけることができます。
ベアリング、オイルポンプ、ピストンリング、バルブスプリング、フライホイール、トランスミッション、ドライブシャフト、ディファレンシャルはすべて、システムから動力を奪う寄生負荷として機能します。これらの寄生負荷は、エンジンの動作に固有のものと、エンジンから路面に動力を伝達するシステム（トランスミッション、ドライブシャフト、ディファレンシャル、アクスルなど）で発生する駆動系損失の2つのカテゴリに分類できます。
例えば、前者のカテゴリー（エンジン寄生負荷）には、エンジンを潤滑するために使用されるオイルポンプが含まれます。これは、エンジン（そのホスト）から動力を消費する必要な寄生装置です。エンジン寄生負荷のもう1つの例はスーパーチャージャーです。スーパーチャージャーはエンジンから動力を得て、エンジンにより多くの動力を生成します。スーパーチャージャーが消費する動力は寄生損失であり、通常はキロワットまたは馬力で表されます。スーパーチャージャーが生成する動力に比べて消費する動力は小さいですが、それでも測定または計算可能です。スーパーチャージャーよりもターボチャージャーの望ましい特徴の1つは、寄生損失が低いことです。[ 59 ]
駆動系の寄生損失には、定常状態負荷と動的負荷の両方が含まれます。定常状態負荷は一定速度で発生し、トルクコンバータ、トランスミッションオイルポンプ、クラッチドラッグなどの個別のコンポーネント、およびシステム全体に存在するシール/ベアリングドラッグ、潤滑油の攪拌、ギアの風損/摩擦に起因します。動的負荷は加速時に発生し、回転コンポーネントの慣性および/または摩擦の増加によって引き起こされます。 [ 60 ]
ドライブトレインの寄生負荷による出力損失が 15% であるといった経験則はよく繰り返されていますが、寄生負荷による実際のエネルギー損失はシステムによって異なります。これは、パワートレインの設計、潤滑油の種類と温度、その他多くの要因によって影響を受ける可能性があります。[ 60 ] [ 61 ]自動車では、ドライブトレインの損失は、エンジンダイナモメータとシャーシダイナモメータで測定された出力の差を測定することによって定量化できます。ただし、この方法は主に定常状態の負荷を測定するのに役立ち、動的負荷による損失を正確に反映しない可能性があります。[ 60 ]実験室環境では、シリンダー内の圧力測定、特定のポイントでの流量と温度の測定、摩擦損失とポンピング損失を決定するための個々の部品またはサブアセンブリのテストなど、より高度な方法を使用できます。[ 62 ]
例えば、Hot Rod誌のダイナモメーターテストでは、改造された357ciスモールブロックフォードV8エンジンとオートマチックトランスミッションを搭載したフォードマスタングの駆動系パワーロスは平均33%と測定された。同じテストで、改造された455ci V8エンジンと4速マニュアルトランスミッションを搭載したビュイックの駆動系パワーロスは平均21%と測定された。[ 63 ]
大型ディーゼルエンジンの実験室試験では、燃料エネルギー入力の1.3%が、水ポンプやオイルポンプなどのエンジン付属品の寄生負荷によって失われることが判明した。[ 62 ]
自動車エンジニアやチューナーは、効率と出力を向上させるために寄生負荷を低減する設計上の選択を一般的に行います。これには、ウェットサンプシステムではなくドライサンプ潤滑システムを使用するなど、主要なエンジンコンポーネントまたはシステムの選択が含まれる場合があります。あるいは、エンジン駆動のファンをファンクラッチまたは電動ファンを備えたものに交換するなど、アフターマーケットの改造として入手可能なマイナーコンポーネントを交換することによってこれを実現できます。 [ 63 ]寄生損失を低減するためのもう1つの改造は、通常サーキット専用車に見られるもので、エンジン駆動のウォーターポンプを電動ウォーターポンプに交換することです。[ 64 ]これらの変更による寄生損失の低減は、摩擦の低減または設計の効率を高める他の多くの変数による可能性があります。
組み立て後、エアフラスコは450ポンドの圧力まで充填する。
