内燃機関

内燃機関( ICEまたはICエンジン)は、作動流体回路の不可欠な部分である燃焼室で燃料と酸化剤(通常は空気)の燃焼が起こる熱機関です。内燃機関では、燃焼によって生成された高温高圧のガスの膨張により、エンジンの一部の部品に直接力が加わります。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。この力により、部品が一定距離移動します。このプロセスにより、化学エネルギーが運動エネルギーに変換され、エンジンが取り付けられているものすべてを推進、移動、または駆動するために使用されます。

最初の商業的に成功した内燃機関は、1860年頃にエティエンヌ・ルノアによって作られ、 ^[1]オットーエンジンとして知られる最初の近代的な内燃機関は、1876年にニコラウス・オットーによって作られました。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バリエーションがあります。2番目のクラスの内燃機関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、それぞれが前述のものと同じ原理の内燃機関です。^{[1] [2]}（銃器も内燃機関の一種であるが、^[2]非常に特殊な種類であるため、迫撃砲や高射砲などの兵器とともに別のカテゴリとして扱われるのが一般的である。）対照的に、蒸気エンジン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おらず、燃焼生成物が混ざっておらず、燃焼生成物によって汚染されていない作動流体に伝達される。外燃機関の作動流体には、空気、温水、加圧水、さらにはボイラーで加熱された液体ナトリウムが含まれる。

据置型アプリケーションも多数ありますが、ほとんどのICEはモバイルアプリケーションで使用され、自動車、航空機、ボートなどの車両の主な電源となっています。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ベースの燃料で稼働します。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生成された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。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、1900年にはすでにエンジンを動かすためにピーナッツ油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らも得ることができます。

様々な科学者や技術者が内燃機関の開発に貢献した。1791年、ジョン・バーバーはガスタービンを開発した。1794年、トーマス・ミードはガスエンジンの特許を取得した。同じく1794年、ロバート・ストリートは内燃機関の特許を取得し、このエンジンは液体燃料を使用する初のもので、その頃にエンジンを製作した。1798年、ジョン・スティーブンスはアメリカ初の内燃機関を製作した。1807年、フランスの技術者ニセフォール・ニエプス（後に写真術を発明した）とクロード・ニエプスは、制御された粉塵爆発を使用する試作型の内燃機関、ピレオロフォアを稼働させ、ナポレオン・ボナパルトから特許を取得した。このエンジンはフランスのソーヌ川で船を動かした。^{[4] [5]}同じ年、スイスの技術者フランソワ・イザック・ド・リヴァは水素ベースの内燃機関を発明し、電気火花でエンジンを動かした。 1808年、デ・リヴァスは発明品を原始的な作業車両に搭載しました。これは「世界初の内燃機関自動車」でした。 ^[6] 1823年、サミュエル・ブラウンは産業的に応用された最初の内燃機関の特許を取得しました。

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・マテウチが「ガスの爆発による動力の取得」の認定を取得しました。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装置」の発明に対して特許番号1655を与えました。^{[7] [8] [9] [10]}バルサンティとマテウチは、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・ジョセフ・エティエンヌ・ルノアは、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・ブレイトンは最初の商業用液体燃料内燃機関を発明しました。 1876年、ニコラウス・オットーはゴットリープ・ダイムラーおよびヴィルヘルム・マイバッハと協力し、圧縮充填式4サイクルエンジンの特許を取得しました。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ました。その後、1886年にベンツは、3輪の4サイクルエンジンとシャーシが1つのユニットを形成する、内燃機関を搭載した自動車の最初の商業生産を開始しました。^[14] 1892年、ルドルフ・ディーゼルは最初の圧縮充填式圧縮着火エンジンを開発しました。1926年、ロバート・ゴダードは最初の液体燃料ロケットを打ち上げました。1939年、ハインケルHe178は世界初のジェット機となりました。

かつて、エンジンという言葉(古フランス語の から来ており、ラテン語の ingenium (能力) に由来) は、あらゆる機械を意味していました。この意味は、 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 (移動手段) に由来) は、機械的な動力を生み出すあらゆる機械です。伝統的に、電気モーターは「エンジン」とは呼ばれませんが、燃焼エンジンは「モーター」と呼ばれることがよくあります。(電気エンジンは、電気で動く機関車を指します。)

ボートでは、船体に搭載された内燃機関はエンジンと呼ばれますが、船尾に設置されたエンジンはモーターと呼ばれます。^[15]

往復ピストンエンジンは、自動車、オートバイ、船舶、そしてそれほど多くはないが機関車（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）を含む陸上および水上車両にとって、圧倒的に最も一般的な動力源である^{[16] [17]}。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、オートバイに使用されている。これらは総称して内燃機関車両（ICEV）と呼ばれている。^[18]

高い出力対重量比が求められる場合、内燃機関は燃焼タービン、または時にはヴァンケル 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 ICE を使用します。飛行機はジェット エンジンを使用することができ、ヘリコプターはターボシャフトを代わりに使用できます。どちらもタービンの一種です。推進力を提供することに加えて、航空機は補助動力装置として別の ICE を使用する場合があります。ヴァンケル エンジンは多くの無人航空機に装備されています。

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 は燃焼タービンの形で提供され、典型的な電気出力は約 100 MW の範囲です。複合サイクル発電所は、高温の排気ガスを使用して水蒸気を沸騰させて過熱し、蒸気タービンを回転させます。したがって、燃焼エンジンのみで抽出できるエネルギーよりも多くのエネルギーを燃料から抽出できるため、効率が高くなります。複合サイクル発電所は、50～60% の範囲の効率を実現します。小規模では、ガスエンジンやディーゼル発電機などの固定エンジンが、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 ストロークのガソリン エンジン）は、芝刈り機、刈払機、チェーンソー、リーフブロワー、高圧洗浄機、スノーモービル、ジェット スキー、船外機、モペット、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あります。

画数別：

• 2ストロークエンジン
  • 事務員サイクル^[19]
  • 日周期
• 4ストロークエンジン（オットーサイクル）
• 6ストロークエンジン

点火タイプ別：

• 圧縮着火エンジン
• 火花点火エンジン（一般的にはガソリンエンジンとして見られる）

機械的/熱力学的サイクル別（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を重視して製造された他の車両では一般的に見られる^[20]）：

• アトキンソンサイクル
• ミラーサイクル

• ヴァンケルエンジン
• ピストンレスロータリーエンジン

• ガスタービンエンジン
  • ターボジェット、推進ノズルを通して
  • ターボファン、ダクトファン経由
  • ターボプロップ、ダクトなしのプロペラを介して、通常は可変ピッチ
  • ターボシャフト、推力ではなく機械的トルクを生成するために最適化されたガスタービン
• ラムジェット[ ^21]はターボジェットに似ていますが、コンプレッサーの代わりに機体の速度を利用して空気を圧縮（ラム）します。
• スクラムジェットは、超音速燃焼を利用するラムジェットの派生型です。
• ロケットエンジン

往復動型内燃機関の基盤となるのはエンジンブロックで、通常は鋳鉄（耐摩耗性に優れ、コストが低いため）^[22]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で作られ、^{[23]または}ニカシルやアルシルなどのコーティングが施されています。エンジンブロックにはシリンダーが含まれています。複数のシリンダーを備えたエンジンでは、シリンダーは通常1列（直列エンジン）または2列（ボクサーエンジンまたはVエンジン）に配置されています。現代のエンジンでは3列または4列が時々使用され（Wエンジン）、他のエンジン構成も可能であり、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、通路は取り外し可能な交換可能なシリンダースリーブのタイプです。^[22]水冷エンジンでは、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）がある。小型エンジンの中には空冷式のものもあり、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フィンが突き出ており、熱を直接空気に伝えてエンジンを冷却する。シリンダー壁は通常、クロスハッチを得るためにホーニング仕上げされており、これによりオイルをより多く保持できる。表面が粗すぎると、ピストンが過度に摩耗してエンジンがすぐに損傷する。

ピストンは短い円筒形の部品で、圧縮空気や燃焼生成物の高圧からシリンダーの一端を密閉し、エンジンの作動中はシリンダー内を継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で作られていますが、大型の用途では通常鋳鉄で作られています。^[22]高性能用途では、ピストンは強度を高めるためにチタンや鍛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、通常は平らか凹面になっています。2ストロークエンジンの中には、デフレクターヘッド付きのピストンを使用するものもあります。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かけ、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上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ほぼ防いでいます。^[24]換気システムは、通常の運転中にピストンを通過して逃げる少量のガス（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。^[22] 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、それが連続的に流れるため、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で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、ピストンの反対側でシリンダーを密閉します。シリンダーヘッドには、吸気および排気用の短いダクト（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、および燃焼ガスを逃がすために開く排気バルブが含まれています。バルブはポペットバルブであることが多いですが^{[25] [26] 、}ロータリーバルブ^[27]やスリーブバルブ^[28]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、ガスポートがポペットバルブなしでシリンダー壁に直接接続され、代わりにピストンがポートの開閉を制御します。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が、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、一部のエンジンでは間接噴射を使用します。 SI (火花点火) エンジンは、ポート噴射または直接噴射としてキャブレターまたは燃料噴射を使用できます。ほとんどの SI エンジンには、シリンダーごとに 1 つの点火プラグがありますが、2 つあるものもあります。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によって制御されます (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が使用されます)。カムシャフトは、バルブのステムを直接押すことも、直接またはプッシュロッドを介してロッカー アームに作用することもできます。

クランクケースの底部はオイルパンで密閉されており、通常動作中に落下するオイルを収集して再び循環させます。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納されています。クランクシャフトは、回転を可能にするメイン 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ます。クランクケース内の隔壁が各メイン ベアリングの半分を形成し、もう半分は取り外し可能なキャップです。いくつかの小さなキャップではなく、 1 つのメイン ベアリング デッキが使用される場合もあります。コネクティング ロッドは、一方の端がクランクシャフトのオフセット セクション (クランクピン) に接続され、もう一方の端がピストンにガジョン ピンを介して接続されており、力を伝達して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。ガジョン ピンに接続されているコネクティング ロッドの端は小端と呼ばれ、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。大端部には取り外し可能な半分があり、クランクシャフトの周りに組み立てることができます。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ます。

シリンダー ヘッドには、対応するポートに取り付けられた吸気マニホールドと排気マニホールドがあります。吸気マニホールドは、エア フィルターに直接接続するか、キャブレターがある場合はキャブレターに接続し、キャブレターはエア フィルターに接続されます。吸気マニホールドは、これらのデバイスから入ってくる空気を個々の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コンポーネントです。排気ガスをシリンダーから収集し、経路内の次のコンポーネントに送ります。ICEの排気システムには、触媒コンバーターとマフラーも含まれる場合があります。排気ガスの経路の最終セクションは、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、またはその逆へ動くことと、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 1 回転につき、次の順序で 2 ストロークを経験します。説明は TDC から始めます。^{[29] [30]}

1. 吸気、誘導、または吸引: カム ローブがバルブ ステムを押し下げることで、吸気バルブが開きます。ピストンが下方に移動して燃焼室の容積が増大し、CI エンジンの場合は空気が、直接噴射を使用しない SI エンジンの場合は空気と燃料の混合気が流入します。空気または空気と燃料の混合気は、いずれの場合もチャージと呼ばれます。
2. 圧縮: この行程では、両方のバルブが閉じられ、ピストンが上方に移動して燃焼室の容積が減少し、ピストンが TDC にあるときに容積が最小になります。ピストンは、圧縮されているときに充填物に作業を行います。その結果、充填物の圧力、温度、密度が増加します。この動作の近似値は、理想気体の法則によって提供されます。ピストンが TDC に達する直前に、点火が始まります。SI エンジンの場合、スパーク プラグは高電圧パルスを受け取り、その名前の由来である火花を発生させて充填物を点火します。CI エンジンの場合、燃料インジェクターは燃料を噴霧として燃焼室に素早く噴射します。燃料は高温のために点火します。
3. パワー ストロークまたは作動ストローク: 燃焼ガスの圧力によってピストンが下方に押し下げられ、充填物の圧縮に必要な量よりも多くの運動エネルギーが発生します。圧縮ストロークの補完として、燃焼ガスが膨張し、その結果、燃焼ガスの温度、圧力、密度が低下します。ピストンが BDC に近づくと、排気バルブが開きます。ブローダウンでは、排気ポートのゲージ圧である背圧を超えた残留圧力によって燃焼ガスが不可逆的に膨張します。
4. 排気: ピストンが上昇して燃焼ガスを排出する間、排気バルブは開いたままです。自然吸気エンジンの場合、ピストンが燃焼室を完全に閉じないため、通常の動作中に燃焼ガスの一部がシリンダー内に残ることがあります。これらのガスは次の充填時に溶解します。このストロークの終わりに、排気バルブが閉じ、吸気バルブが開き、次のサイクルでこのシーケンスが繰り返されます。排気バルブが閉じる前に吸気バルブが開き、掃気を良くすることができます。

このタイプのエンジンの特徴は、各ピストンがクランクシャフトの回転ごとに 1 サイクルを完了することです。吸気、圧縮、動力、排気の 4 つのプロセスは 2 ストロークでのみ行われるため、各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。TDC から始まるサイクルは、次のようになります。

1. パワー: ピストンが下降する間、燃焼ガスは 4 ストローク エンジンと同様にピストンに作用します。膨張の場合と同じ熱力学が適用されます。
2. 掃気: クランクシャフトの回転が下死点の約 75° 手前で排気バルブまたはポートが開き、ブローダウンが発生します。その後すぐに吸気バルブまたはトランスファー ポートが開きます。流入したガスは残りの燃焼ガスを排気システムに押し出し、ガスの一部は排気システムにも入ります。ピストンは下死点に達し、方向を反転します。ピストンがシリンダー内に少し上方に移動した後、排気バルブまたはポートが閉じ、すぐに吸気バルブまたはトランスファー ポートも閉じます。
3. 圧縮: 吸気口と排気口の両方が閉じた状態でピストンは上昇を続け、チャージを圧縮して作業を行います。4 ストローク エンジンの場合と同様に、点火はピストンが TDC に到達する直前に開始され、チャージの圧縮に関する熱力学に関する同じ考慮が適用されます。

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いますが、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使用して、吸気と排気を組み合わせて行います。チャージ ガスと排気ガスを移動させるために必要な作業は、クランクケースまたは別のブロワーから行われます。掃気、つまり燃焼ガスの排出と新鮮な混合物の流入については、ループ掃気とユニフロー掃気という 2 つの主なアプローチが説明されています。2010 年代に発表された SAE ニュースでは、「ループ掃気」はユニフロー掃気よりもどのような状況でも優れているとされています。^[19]

一部の SI エンジンはクランクケース掃気式で、ポペット バルブを使用しません。代わりに、クランクケースとピストンの下のシリンダー部分がポンプとして使用されます。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ます。各シリンダーでは、トランスファー ポートが一方の端でクランクケースに接続され、もう一方の端でシリンダー壁に接続されます。排気ポートはシリンダー壁に直接接続されます。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。クランクケース圧力が吸気圧力よりわずかに低いときにリード バルブが開き、新しいチャージで満たされます。これはピストンが上昇しているときに発生します。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て、クランクケース内のチャージが圧縮されます。ピストンが下降すると、排気ポートとトランスファー ポートも開かれ、クランクケース内のチャージの圧力が高くなるため、チャージがトランスファー ポートからシリンダーに入り、排気ガスが吹き出されます。潤滑は、 2 ストローク オイルを燃料に少量加えることで行われます。ペトロイルとは、ガソリンと前述のオイルの混合物を指します。このタイプの 2 ストローク エンジンは、同等の 4 ストローク エンジンよりも効率が低く、次の条件では より多くの汚染物質を排出します。

• これらは全損失給油システムを採用しており、潤滑油はすべて燃料とともに最終的に燃焼します。
• 掃気に関しては相反する要件があります。一方では、ほぼすべての燃焼ガスを置換するために十分な量の新鮮な電荷を各サイクルで導入する必要がありますが、導入量が多すぎると、その一部が排気ガスに混入することになります。
• 移送ポートを慎重に設計され配置されたノズルとして使用し、排気ポートに到達する前にシリンダー全体を掃引して燃焼ガスを排出しながらも排出される充填量を最小限に抑えるガス流を生成する必要があります。4 ストローク エンジンには、排気中に燃焼室が最小容積まで縮小されるため、ほぼすべての燃焼ガスを強制的に排出できるという利点があります。クランクケース掃気式 2 ストローク エンジンでは、排気と吸気はほぼ同時に行われ、燃焼室は最大容積になります。

このタイプの 2 ストローク エンジンの主な利点は、機械的な単純さと、4 ストローク エンジンよりも高いパワー対重量比です。サイクルあたりのパワー ストローク数は 2 倍ですが、実際に達成できるパワーは同等の 4 ストローク エンジンの 2 倍未満です。

米国では、汚染のため、2 ストローク エンジンは道路車両では禁止されています。オフロード専用のオートバイは今でも 2 ストロークであることが多いですが、公道走行が認められているものはほとんどありません。ただし、2 ストロークの芝生管理用エンジンは何千台も使用されています。^{[引用が必要]}

別個のブロワーを使用すると、クランクケース掃気の多くの欠点を回避できますが、複雑さが増すため、コストが高くなり、メンテナンス要件が増加するという代償を払うことになります。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使用し、排気用にバルブを使用しますが、対向ピストン エンジンでは排気用にポートも使用します。ブロワーは通常ルーツ タイプですが、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あり、SI エンジンでも時々使用されています。

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、ピストンクラウンが BDC にあるときに到達する位置のすぐ上の円周に沿って均等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 エンジンのような排気バルブが 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、シリンダー壁に対して水平の角度で (つまり、ピストンクラウンの平面内) 配置され、流入する空気に渦を巻き、燃焼を改善します。最大の往復動型 IC は、このタイプの低速 CI エンジンです。これらは船舶の推進 (船舶用ディーゼル 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も高い熱効率を実現します。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。  EMD SD90MACクラスの機関車はその一例です。同等クラスのGE AC6000CW は、原動機のブレーキ力がほぼ同じで、4 ストローク エンジンを使用しています。

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内燃機関です。^{[31] [32] [33]}比較すると、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）^{[引用が必要]} 。サイズが大きいと、体積と表面積の比率が増加するため、効率に有利です。

光学的にアクセス可能な 2 ストロークのオートバイ エンジンのシリンダー内燃焼ビデオについては、外部リンクを参照してください。

ダガルド・クラークは1879年に最初の2サイクルエンジンを開発しました。このエンジンは、燃料混合物をシリンダーに移送するためのポンプとして機能する別のシリンダーを使用しました。^[19]

1899年、ジョン・デイはクラークの設計を簡略化し、今日広く使用されている2サイクルエンジンのタイプを考案した。^[34] デイサイクルエンジンはクランクケース掃気式でポートタイミング式である。クランクケースと排気ポートの下のシリンダー部分はポンプとして使用される。デイサイクルエンジンの動作は、クランクシャフトが回転してピストンがBDCから上方（ヘッドに向かって）に移動し、クランクケース/シリンダー領域に真空状態を作り出すと始まる。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）を介して燃料混合物をクランクケースに供給する。クランクケースからシリンダーのポートまでのダクトが鋳造されており、吸気用に供給され、排気ポートから排気管までのダクトも鋳造されている。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」と呼ばれる。

エンジンの最初の上昇ストロークでは、クランクケースが空であるため、シリンダーに燃料は吸入されません。下降ストロークでは、ピストンが混合燃料を圧縮します。混合燃料にはオイルが加えられているため、シリンダー内のピストンとベアリングが潤滑されます。ピストンが下降すると、最初に排気口が露出しますが、最初のストロークでは燃焼した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がある吸気ポートが露出します。クランクケース内の混合燃料は加圧されているため、混合燃料はダクトを通ってシリンダー内に入ります。

ピストンが上昇してポートを閉じる前に、シリンダー内には燃料が排気ポートから直接排出される障害物がないため、初期のエンジンでは、燃料の流れを遅くするために高いドーム型のピストンが使用されていました。後に、燃料は膨張室設計を使用してシリンダー内に「共鳴」して戻りました。ピストンが TDC 近くまで上昇すると、火花が燃料に点火しました。ピストンが力で下方に駆動されると、最初に排気ポートが露出し、燃焼した燃料が高圧下で排出され、次に吸気ポートが露出し、ここでプロセスが完了し、これが繰り返されます。

その後のエンジンでは、性能向上のため、Deutz社が考案したポートリングを採用した。これは、シュヌール・リバース・フロー・システムと呼ばれた。DKW社は、この設計を自社のすべてのオートバイにライセンス供与した。その結果、 DKW RT 125は、 100 mpgを超える燃費を達成した最初の自動車の1つとなった。^[35]

内燃機関は、火花点火（SI）または圧縮点火（CI）のいずれかによって混合物に点火する必要がある。信頼性の高い電気的方法が発明される前は、熱管法と炎法が使用されていた。レーザー点火を備えた実験的なエンジンが構築されている。^[36]

火花点火エンジンは、ホットチューブ点火を採用した初期のエンジンを改良したものです。ボッシュがマグネトーを開発すると、マグネトーは点火プラグを作動させるための電気を生成する主要なシステムとなりました。^{[37]多くの小型エンジンは今でもマグネトー点火を採用しています。小型エンジンは、}リコイルスターターまたはハンドクランクを使用して手動でクランクを回して始動します。デルコのチャールズ・F・ケタリングが自動車用スターターを開発する前は、ガソリンエンジンの自動車はすべてハンドクランクを使用していました。^[38]

大型エンジンは通常、鉛蓄電池に蓄えられた電気エネルギーを使用して始動モーターと点火システムに電力を供給します。バッテリーの充電状態は、自動車のオルタネーターまたは（以前は）エンジンの電力を使用して電気エネルギーを蓄える発電機 によって維持されます。

バッテリーは、エンジンに始動モーターシステムがある場合に始動用の電力を供給し、エンジンがオフのときにも電力を供給します。また、バッテリーは、オルタネーターが 13.8 ボルト以上を維持できないまれな運転状況でも電力を供給します (一般的な 12 V 自動車電気システムの場合)。オルタネーターの電圧が 13.8 ボルトを下回ると、鉛蓄電池が電気負荷をますます引き受けます。通常のアイドリング状態を含むほぼすべての運転状況で、オルタネーターが主要な電力を供給します。

一部のシステムでは、スロットル全開時にオルタネーターのフィールド (ローター) 電力が無効になります。フィールドを無効にすると、オルタネーター プーリーの機械的負荷がほぼゼロになり、クランクシャフトの電力が最大になります。この場合、バッテリーがすべての主要電力を供給します。

ガソリン エンジンは、空気とガソリンの混合気を吸い込み、燃料が最大圧縮状態にあるときにピストンを下死点から上死点まで動かすことで混合気を圧縮します。シリンダーの掃引面積の縮小と燃焼室の容積を考慮に入れた比率で表されます。初期のエンジンの圧縮比は 6 対 1 でした。圧縮比が増加するにつれて、エンジンの効率も向上しました。

初期の吸気および点火システムでは、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 の比率で確実に作動できます。低オクタン価燃料では、燃料が点火すると温度が上昇して圧縮比が上昇し、問題が発生します。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、鉛中毒の懸念もあり、1970 年代以降、自動車での使用は徐々に中止されました。

混合燃料は、ピストンがシリンダー内で異なる動きをするたびに点火されます。低回転数では、点火はピストンが上死点に達する直前に行われます。より多くのパワーを生み出すために、回転数が上がると、ピストンの動きの間に点火が早くなります。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されます。^[39]

必要な高電圧 (通常は 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 システムで、同期された何らかの遮断器を介して一次電気システムの電流を遮断します。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。このタイプの点火の問題は、回転数が上がると電気エネルギーの可用性が下がることです。これは特に、より濃い燃料混合物を点火するために必要なエネルギー量が多いため、問題となります。その結果、高回転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が開発されました。これは上昇する電圧を生成し、それをスパークプラグに送ります。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、機械式または電気式の制御システムが、慎重にタイミングを計った高電圧を適切なシリンダーに供給します。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物を点火します。

ガソリン内燃エンジン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簡単ですが、極限の状況下では寒冷地での始動に問題が生じることがあります。長年、解決策は暖房付きの場所に車を駐車することでした。世界の一部の地域では、オイルを実際に排出して一晩加熱し、冷間始動のためにエンジンに戻していました。1950年代初頭、ガソリンガス化装置が開発されました。寒冷地での始動時に、生のガソリンが装置に送られ、燃料の一部が燃焼して他の部分が高温の蒸気となり、吸気バルブマニホールドに直接送られます。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 、およびHCCIエンジンは、点火に関して、圧縮プロセスでエンジンによって生成される高温および高圧のみに依存しています。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、ピーク圧縮の直前に、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て、燃料を瞬時に点火します。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、圧力と温度が高いため、補助のない自己燃焼プロセスに依存し続けます。これは、ディーゼル エンジンと HCCI エンジンが始動してしまえば寒冷気候でも同様に動作するにもかかわらず、寒冷始動の問題が発生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軽量ディーゼル エンジンは、寒冷気候での始動不能状態を減らすために、始動直前に燃焼室を予熱するグロープラグ(またはその他の予熱装置: Cummins ISB#6BTを参照)を使用します。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あります。ただし、このシステムは二次的なものであり、始動や燃料のオン/オフ（スイッチや機械装置でも可能）の容易さ、および補助的な電気部品やアクセサリの動作のためにメーカーが贅沢品として追加したものです。ほとんどの新しいエンジンは、電気および電子エンジン制御ユニット（ECU）に依存しており、これも燃焼プロセスを調整して効率を高め、排出量を削減します。

他の表面と接触したり相対的に動いたりする表面には、摩耗や騒音を減らし、摩擦を克服するための電力の浪費を減らして効率を高めるため、あるいはメカニズムを機能させるために潤滑が必要です。また、使用される潤滑剤は余分な熱を減らし、コンポーネントをさらに冷却することができます。少なくとも、エンジンには次の部品の潤滑が必要です。

• ピストンとシリンダーの間
• 小型ベアリング
• ビッグエンドベアリング
• メインベアリング
• バルブギア（以下の要素は存在しない可能性があります）：
  • タペット
  • ロッカーアーム
  • プッシュロッド
  • タイミングチェーンまたはギア。歯付きベルトには潤滑は必要ありません。

2 ストローク クランクケース掃気エンジンでは、クランクケースの内部、つまりクランクシャフト、コネクティング ロッド、ピストンの底部に、空気、燃料、オイルの混合物内の2 ストローク オイルが噴霧され、燃料とともに燃焼します。バルブ トレインは潤滑剤で満たされたコンパートメントに収納できるため、オイル ポンプは必要ありません。

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のオイルに浸かり、その高速性により、クランクシャフト、コネクティングロッド、ピストンの底にオイルが飛び散ります。コネクティングロッドの大きなエンドキャップには、この効果を高めるために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、浸水したコンパートメントに密閉されているか、クランクシャフトに開いていて、飛び散ったオイルを受け取ってオイルパンに排出できるようにします。スプラッシュ潤滑は、小型の 4 ストローク エンジンでよく使用されます。

強制(加圧とも呼ばれる)潤滑システムでは、潤滑は閉ループで行われ、システムがサービスする表面にエンジン オイルを運び、その後オイルをリザーバーに戻します。エンジンの補助機器は、通常、このループによってサービスされません。たとえば、オルタネーターは、独自の潤滑剤で密封されたボール 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、サンプであり、この場合はウェット 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、クランクケースがオイルをキャッチしますが、専用ポンプによって継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。

サンプの底部には、メッシュ フィルターで覆われたオイル取り入れ口があり、このフィルターはオイル ポンプに接続され、さらにクランクケースの外側にあるオイル フィルターに接続されています。オイルはそこから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取り入れられるオイル ギャラリー(クランクケース壁内の導管) が少なくとも 1 つあります。メイン ベアリングには、全周または半周に溝があり、オイルはオイル ギャラリーに接続されたチャネル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てビッグ エンド ベアリングに送る穴があります。すべてのビッグ エンド ベアリングは、このように潤滑されます。1 つのメイン ベアリングで、0、1、または 2 つのビッグ エンド ベアリングにオイルを供給できます。同様のシステムを使用して、ピストン、ピストンのガジョン ピン、およびコネクティング ロッドの小端を潤滑できます。このシステムでは、コネクティング ロッドの大端には、クランクシャフトの周りに溝があり、溝に接続された穴からオイルがピストンの底部、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ます。コネクティング ロッドには、シリンダーとピストンの底にオイル ジェットを噴射するノズルが付いている場合があります。このノズルは、潤滑するシリンダーに対して移動しますが、常にシリンダーまたは対応するピストンに向けられています。

通常、強制潤滑システムでは、冷却を助けるために、潤滑を十分に行うために必要な量よりも高い潤滑剤流量が与えられます。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) に熱を移動させ、そこから熱を環境に放出します。潤滑剤は、化学的に安定し、エンジン内で発生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構成には、ストレートまたはインライン構成、よりコンパクトなV構成、およびより幅広だが滑らかなフラットまたはボクサー構成があります。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構成も採用できます。H 、U、X、Wなどのより珍しい構成も使用されています。

多気筒エンジンでは、ピストンがサイクルの異なる部分にあるように、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を均一に間隔をあける (これを均等点火と呼びます) ことが望ましいです。これにより、トルク脈動が低減し^[42]、4 気筒を超える直列エンジンの主な力が静的にバランスされます。ただし、一部のエンジン構成では、均等点火で可能なバランスよりも優れたバランスを実現するために、奇数点火が必要になります。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° の場合にピストンが反対方向に動き、慣性力が部分的に打ち消されるため、バランスが向上しますが、これにより、1 つのシリンダーがクランクシャフトの回転の 180° 前に点火し、その後 540° の間はどのシリンダーも点火しないという、奇数点火パターンになります。均等点火パターンでは、ピストンが同期して動き、関連する力が加わります。

複数のクランクシャフト構成では、必ずしもシリンダーヘッドは必要ありません。これは、対向ピストン設計と呼ばれるシリンダーの両端にピストンを配置できるためです。燃料の入口と出口がシリンダーの反対側に配置されているため、ユニフロー掃気を実現でき、4 ストローク エンジンと同様に、幅広いエンジン速度で効率的です。シリンダー ヘッドがないため、熱効率が向上します。この設計は、 1 列のシリンダーの両端に 2 つのクランクシャフトを使用するJunkers Jumo 205ディーゼル航空機エンジンで使用され、最も顕著なのはNapier Delticディーゼル エンジンです。これらは、3 つのクランクシャフトを使用して、クランクシャフトを角にして正三角形に配置された3 列の両端シリンダーを動かしました。これはシングル バンクの機関車エンジンでも使用され、現在でも船舶推進エンジンや船舶補助発電機で使用されています。

ほとんどのトラックや自動車のディーゼル 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、別の点火システムを必要とするのではなく、圧縮による温度上昇によって点火が起こります。このバリエーションはディーゼル サイクルと呼ばれます。ディーゼル サイクルでは、ディーゼル燃料がシリンダー内に直接噴射され、ピストンが動くと一定の圧力で燃焼が起こります。

オットーサイクルは、ガソリンを燃料として使用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。オットーサイクルは、4 ストロークエンジンで説明されているのと同じ主要なステップ、つまり吸気、圧縮、点火、膨張、排気で構成されています 。

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、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エンジンで十分に使用されていた）を製造販売しましたが、所有者は性能が悪いと主張して返品しました。1906年に、このコンセプトはEHV（アイゼンフート・ホースレス・ビークル・カンパニー）によって製造された自動車に組み込まれました。^[43 ]そして21世紀には、イルモアが高出力と低SFC（燃料消費率）の5ストローク二重膨張内燃機関を設計し、テストに成功しました。^[44]

6 ストローク エンジンは1883年に発明されました。4 種類の 6 ストローク エンジンは、通常のシリンダー内の通常のピストンを使用し (グリフィン 6 ストローク、バジュラス 6 ストローク、ベロゼータ 6 ストローク、クロワー 6 ストローク)、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、空気または水を噴射して、 4 ストロークオットー サイクルの廃熱を回収します。

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 回転ごとに点火します。

最初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を吸い込み、次に吸気バルブが閉じ、下降行程の残りの部分で燃料と空気の混合気を点火します。排気バルブはピストンの上昇行程で開きます。蒸気機関の原理を模倣する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さまざまなバリエーションがありますが、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。

スプリットサイクル エンジンは、吸気、圧縮、燃焼、排気の 4 つのストロークを、2 つの別々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 パスを通じて圧縮シリンダーから 2 番目のシリンダーに送られ、ここで燃焼と排気が行われます。スプリットサイクル エンジンは、実際には、片側に空気圧縮機があり、反対側に燃焼室があります。

これまでのスプリットサイクル エンジンには、呼吸 (容積効率) 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技術を使用してピストンとシリンダー ヘッド間のクリアランスを減らすことで呼吸の問題に対処しています。Scuderi の設計では、外側に開くバルブを使用する必要があります。これにより、ピストンがバルブの干渉を受けずにシリンダー ヘッドに非常に接近できるようになります。Scuderi は、上死点後の点火 (ATDC) によって低い熱効率に対処しています。

ATDC の点火は、トランスファー通路内の高圧空気を使用してパワーシリンダー内に音速流と高乱流を生成することによって実現できます。

ジェットエンジンは、数列のファンブレードを使用して空気を圧縮し、圧縮された空気は燃焼器に入り、そこで燃料（通常はJP燃料）と混合されて点火されます。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を生み出します。現代のターボファンエンジンは、48％もの効率で動作できます。^[45]

ターボファン エンジンには 6 つのセクションがあります。

• ファン
• コンプレッサー
• 燃焼器
• タービン
• ミキサー
• ノズル^[46]

ガスタービンは空気を圧縮し、それを使ってタービンを回します。本質的には、出力をシャフトに送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) 空気が圧縮機に引き込まれ、圧縮により温度が上昇します。2) 燃料が燃焼器に追加されます。3) 熱い空気がタービンブレードから排出され、タービンブレードが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つの主要部品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が圧縮機を駆動し、残り（約1 ⁄ 3）が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社の7HAおよび9HAタービン複合サイクル発電所の効率は61%以上と評価されている。^[48]

ガスタービンは、原理的には蒸気タービンに似た回転機械です。コンプレッサー、燃焼室、タービンの 3 つの主要コンポーネントで構成されています。空気はコンプレッサーによって圧縮され、温度が上昇します。圧縮された空気の温度は、燃焼室に噴射された燃料の燃焼によってさらに上昇し、空気が膨張します。このエネルギーによってタービンが回転し、機械的なカップリングを介してコンプレッサーに動力が供給されます。その後、高温のガスが排出されて推力を生み出します。

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さまざまな場所で同時に発生し、連続的な動力を生み出す連続燃焼システムを採用しています。注目すべきは、燃焼がオットー サイクルの定容積ではなく、定圧で行われることです。

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じように、エンジン内の別々の場所でフェーズが分離して動作します。熱力学的にはオットーエンジンサイクルに従うため、「4相」エンジンと考えることができます。ローター1回転につき通常3回のパワーストロークが発生するのは事実ですが、ローターと偏心シャフトの回転比は3:1であるため、シャフト1回転につき実際に発生するパワーストロークは1回だけです。駆動（偏心）シャフトは、オットーサイクルのように2回（クランクシャフト）回転するのではなく、パワーストロークごとに1回回転するため、ピストンエンジンよりもパワーウェイトレシオが高くなります。このタイプのエンジンは、マツダRX-8、以前のRX-7、およびその他の車両モデルで最もよく使用されました。このエンジンは、小型で軽量、高パワーウェイトレシオが有利な無人航空機にも使用されています。

強制吸気は、圧縮空気を内燃エンジン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。強制吸気のないエンジンは、自然吸気エンジンと見なされます。

強制吸気は、自動車業界や航空業界でエンジンのパワーと効率を高めるために使用されています。特に、高高度で作動する必要がある航空エンジンに役立ちます。

強制吸気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コンプレッサーがエンジンシャフトから直接駆動され、ターボチャージャーではエンジン排気によって駆動されるタービンから駆動されます。

すべての内燃機関は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、同じ効果をさらに高めるために亜酸化窒素を噴射して出力を高めることも可能です）。燃焼プロセスでは通常、大量の熱エネルギーが生成され、非常に高温の蒸気や二酸化炭素などの化学物質が生成されます。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）や圧縮などの要因によって 決まります。

最も一般的な現代の燃料は炭化水素で構成されており、ほとんどが化石燃料（石油）から作られています。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。燃料供給部品を除いて、ガソリン用に設計されたほとんどの内燃機関は、大きな改造をせずに天然ガスまたは液化石油ガスで作動できます。大型ディーゼルは、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作動します。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産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、木材ガス、木炭ガス、およびその他の便利なバイオマスから作られたいわゆる生産ガスでも作動します。マグネシウム注入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次のとおりです。

• 石油：
  • 石油スピリット（北米用語：ガソリン、イギリス用語：ペトロール）
  • ディーゼル燃料。
  • オートガス（液化石油ガス）。
  • プロパン。
  • 圧縮天然ガス。
  • ジェット燃料（航空燃料）
  • 残留燃料
• 石炭：
  • ガソリンはフィッシャー・トロプシュ法で炭素（石炭）から作ることができる
  • フィッシャー・トロプシュ法を用いて炭素からディーゼル燃料を作ることができる
• バイオ燃料と植物油:
  • ピーナッツ油およびその他の植物油。
  • 木材ガス、燃料として無垢材を使用する車載式木材ガス化装置から発生する
  • バイオ燃料:
    • バイオブタノール（ガソリンの代替品）。
    • バイオディーゼル（石油ディーゼルの代替品）。
    • ジメチルエーテル（石油ディーゼルの代替品）。
    • バイオエタノール、バイオメタノール（木質アルコール）およびその他のバイオ燃料 （フレキシブル燃料車を参照）。
    • バイオガス
• 水素（主に宇宙船の ロケットエンジン）

流動化した金属粉末や爆薬も、ある程度は使われてきました。燃料としてガスを使用するエンジンはガス エンジン、液体炭化水素を使用するエンジンは石油エンジンと呼ばれますが、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 「ガソリン エンジン」) と呼ばれることもよくあります。

燃料に関する主な制限は、燃料が燃料システムを通じて燃焼室に容易に輸送可能でなければならないこと、および燃料が燃焼時に熱の形で十分なエネルギーを放出し、エンジンを実際に使用できる必要があることです。

ディーゼルエンジンは一般にガソリンエンジンよりも重く、騒音が大きく、低速ではより強力です。また、ほとんどの場合で燃費が良く、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が良いためますます普及しています）、船舶、鉄道 機関車、軽飛行機に使用されています。ガソリンエンジンは、ほとんどの車、オートバイ、モペットなど、他のほとんどの道路車両に使用されています。ヨーロッパでは、1990年代以降、洗練されたディーゼルエンジン車が市場の約45％を占めています。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）で動作するエンジンもあります。

水素は、最終的には従来の内燃機関における従来の化石燃料に取って代わる可能性があります。あるいは、燃料電池技術がその期待に応え、内燃機関の使用が段階的に廃止される可能性もあります。

自由水素を生成する方法は複数あるが、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る。その電気が再生可能資源から生成されたものでなければ、また他の目的に必要とされない限り、水素ではエネルギー危機は解決されない。多くの場合、炭素燃料と比較した水素の欠点は貯蔵である。液体水素は密度が極めて低く（水の14倍低い）、広範囲にわたる断熱材が必要であり、一方、気体水素は重いタンクを必要とする。液化した場合でも、水素はより高い比エネルギーを有するが、体積エネルギー貯蔵量は依然としてガソリンの約5倍低い。しかし、水素のエネルギー密度は電気バッテリーのそれ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る。「オンデマンド水素」プロセス（直接ホウ化水素燃料電池を参照）は必要に応じて水素を生成するが、原料である水素化ホウ素ナトリウムの価格が高いなど、他の問題がある。

地球の表面には空気が豊富にあるため、酸化剤は一般に大気中の酸素であり、機体内に貯蔵されないという利点があります。これにより、出力対重量比と出力対容積比が向上します。その他の材料は、出力を増大させたり、水中や宇宙で動作できるようにしたりするなど、特別な目的に使用されます。

• 圧縮空気は魚雷によく使われてきました。^[49]
• 日本の九三式魚雷には圧縮酸素と少量の圧縮空気が使用されていた。一部の潜水艦は純酸素を搭載している。ロケットでは液体酸素がよく使用される。^[50]
• ニトロメタンは、パワーを増強し、燃焼を制御するために、一部のレース用燃料や模型用燃料に添加されます。
• 亜酸化窒素は、ガソリンと空気で動くエンジンに短時間の追加出力を与えるために、戦術航空機や特別装備の車に、追加のガソリンとともに使用されています。また、バート・ルータン ロケット宇宙船にも使用されています。
• 過酸化水素動力は、第二次世界大戦中のドイツの潜水艦用に開発中でした。一部の非原子力潜水艦では使用された可能性があり、一部のロケット エンジン (特にブラック アローとメッサーシュミット Me 163ロケット戦闘機) にも使用されました。
• 塩素やフッ素などの他の化学物質も実験的に使用されてきましたが、実用的ではありませんでした。

冷却は過剰な熱を除去するために必要であり、高温は摩耗（高温による潤滑不良による）、亀裂、または歪みによってエンジン故障を引き起こす可能性がある。エンジン冷却の最も一般的な2つの形式は、空冷と水冷である。現代の自動車エンジンのほとんどは水冷と空冷の両方を採用しており、水/液体の冷却剤は空冷フィンやファンに運ばれるが、大型エンジンは固定されており水道本管または真水から一定量の水が供給されるため水冷のみである場合がある。一方、ほとんどの電動工具エンジンやその他の小型エンジンは空冷である。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る。一部のエンジン、特にタービンエンジンブレードの冷却や液体ロケットエンジンの冷却では、燃料が燃焼室に噴射される前に同時に予熱されるため、燃料が冷却剤として使用される。

内燃機関はサイクルを開始させる必要があります。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）を回転させることによってサイクルを開始し、吸気、圧縮、燃焼、排気のサイクルを引き起こします。最初のエンジンはフライホイールを回して始動しましたが、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動スターターを開発するまで、すべてのICEエンジン搭載自動車は手動クランクで始動していました。^[51]この方法は現在、自動車以外の分野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、その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りました。^[52]これは、電動スターターのトルク不足によるものです。エアスターターは、エンジンのシリンダーに圧縮空気を送り込み、エンジンを回転させます。

二輪車のエンジンは、次の 4 つの方法のいずれかで始動できます。

• 自転車のようにペダルをこぐことで
• 車両を押してクラッチを繋ぐ「ランアンドバンプスタート」と呼ばれる
• ペダルを1つ踏み込むことで始動する「キックスタート」
• 車のように電動スターターで

クランクの動きによってスプリングが圧縮され、エンジンを始動するために使用されるスターターもあります。

一部の小型エンジンでは、エンジンを始動するために引き出されたロープが自動で巻き戻されるため、「リコイル始動」と呼ばれるロープ引き機構が使用されています。この方法は、エンジンを始動するのにわずかなトルクしか必要としない手押し式芝刈り機やその他の設定でよく使用されます。

タービンエンジンは、多くの場合、電気モーターまたは圧縮空気によって始動されます。

エンジンの種類は、さまざまな点で大きく異なります。

• エネルギー効率
• 燃料/推進剤消費量（シャフトエンジンの場合はブレーキ比燃料消費量、ジェットエンジンの場合は推力比燃料消費量）
• パワーウェイトレシオ
• 推力重量比
• トルク曲線（シャフトエンジンの場合）、推力減衰（ジェットエンジンの場合）
• ピストンエンジンの圧縮比、ジェットエンジンとガスタービンの全体圧力比

点火されて燃焼すると、燃焼生成物である高温ガスは、元の圧縮された燃料と空気の混合物（より高い化学エネルギーを持っていた）よりも多くの熱エネルギーを利用できます。この利用可能なエネルギーは、エンジンによって運動エネルギーに変換できるより高い温度と圧力として現れます。往復エンジンでは、シリンダー内の高圧ガスがエンジンのピストンを駆動します。

利用可能なエネルギーが除去されると、残りの高温ガスが排出され(多くの場合、バルブを開くか排気口を露出させることにより)、ピストンは前の位置 (上死点、または 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むことができます。この段階はエンジンによって異なります。仕事に変換されない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。

内燃機関は熱機関であると考えられており（燃焼時の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）、そのため理論上の効率は理想的な熱力学サイクルで近似することができます。理論上のサイクルの熱効率はカルノーサイクルの熱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動作温度と上限動作温度の差によって決まります。エンジンの上限動作温度は、材料の熱動作限界と燃料の自己着火抵抗という 2 つの主な要因によって制限されます。すべての金属と合金には熱動作限界があり、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の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）動作温度と上限動作温度の温度差が大きくなり、熱力学的効率が高くなります。また、シリンダ温度が上昇すると、燃料が自己着火しやすくなります。これは、シリンダ温度が充填物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、シリンダ圧力が過剰になります。自己発火は、自己発火抵抗の高い燃料 (オクタン価) を使用することで軽減できますが、許容されるピークシリンダー温度には依然として上限が設定されます。

熱力学的限界は、エンジンが理想的な条件、つまり摩擦のない世界、理想気体、完全な絶縁体、無限の時間の動作で動作していることを前提としています。現実世界のアプリケーションでは、効率を低下させる複雑さがもたらされます。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。高速道路を走行している車のエンジンは、急加速に必要なより高い負荷に合わせて設計されているため、通常、理想的な負荷を大幅に下回る負荷で動作しています。^[要出典]さらに、風の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、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で測定されます。炭化水素の量は、標準エネルギー含有量を想定しています。

Even when aided with turbochargers and stock efficiency aids, most engines retain an average efficiency of about 18–20%.^[53] However, the latest technologies in Formula One engines have seen a boost in thermal efficiency past 50%.^[54] There are many inventions aimed at increasing the efficiency of IC engines. In general, practical engines are always compromised by trade-offs between different properties such as efficiency, weight, power, heat, response, exhaust emissions, or noise. Sometimes economy also plays a role in not only the cost of manufacturing the engine itself, but also manufacturing and distributing the fuel. Increasing the engine's efficiency brings better fuel economy but only if the fuel cost per energy content is the same.

For stationary and shaft engines including propeller engines, fuel consumption is measured by calculating the brake specific fuel consumption, which measures the mass flow rate of fuel consumption divided by the power produced.

For internal combustion engines in the form of jet engines, the power output varies drastically with airspeed and a less variable measure is used: thrust specific fuel consumption (TSFC), which is the mass of propellant needed to generate impulses that is measured in either pound force-hour or the grams of propellant needed to generate an impulse that measures one kilonewton-second.

For rockets, TSFC can be used, but typically other equivalent measures are traditionally used, such as specific impulse and effective exhaust velocity.

Internal combustion engines such as reciprocating internal combustion engines produce air pollution emissions, due to incomplete combustion of carbonaceous fuel. The main derivatives of the process are carbon dioxide CO
₂, water and some soot—also called particulate matter (PM).^[55] The effects of inhaling particulate matter have been studied in humans and animals and include asthma, lung cancer, cardiovascular issues, and premature death.^[56] There are, however, some additional products of the combustion process that include nitrogen oxides and sulfur and some uncombusted hydrocarbons, depending on the operating conditions and the fuel-air ratio.

Carbon dioxide emissions from internal combustion engines (particularly ones using fossil fuels such as gasoline and diesel) contribute to human-induced climate change. Increasing the engine's fuel efficiency can reduce, but not eliminate, the amount of CO
₂ emissions as carbon-based fuel combustion produces CO
₂. Since removing CO
₂ from engine exhaust is impractical, there is increasing interest in alternatives. Sustainable fuels such as biofuels, synfuels, and electric motors powered by batteries are examples.

Not all of the fuel is completely consumed by the combustion process. A small amount of fuel is present after combustion, and some of it reacts to form oxygenates, such as formaldehyde or acetaldehyde, or hydrocarbons not originally present in the input fuel mixture. Incomplete combustion usually results from insufficient oxygen to achieve the perfect stoichiometric ratio. The flame is "quenched" by the relatively cool cylinder walls, leaving behind unreacted fuel that is expelled with the exhaust. When running at lower speeds, quenching is commonly observed in diesel (compression ignition) engines that run on natural gas. Quenching reduces efficiency and increases knocking, sometimes causing the engine to stall. Incomplete combustion also leads to the production of carbon monoxide (CO). Further chemicals released are benzene and 1,3-butadiene that are also hazardous air pollutants.

Increasing the amount of air in the engine reduces emissions of incomplete combustion products, but also promotes reaction between oxygen and nitrogen in the air to produce nitrogen oxides (NO_x). NO_x is hazardous to both plant and animal health, and leads to the production of ozone (O
₃). Ozone is not emitted directly; rather, it is a secondary air pollutant, produced in the atmosphere by the reaction of NO_x and volatile organic compounds in the presence of sunlight. Ground-level ozone is harmful to human health and the environment. Though the same chemical substance, ground-level ozone should not be confused with stratospheric ozone, or the ozone layer, which protects the earth from harmful ultraviolet rays.

Carbon fuels containing sulfur produce sulfur monoxides (SO) and sulfur dioxide (SO
₂) contributing to acid rain.

In the United States, nitrogen oxides, PM, carbon monoxide, sulfur dioxide, and ozone, are regulated as criteria air pollutants under the Clean Air Act to levels where human health and welfare are protected. Other pollutants, such as benzene and 1,3-butadiene, are regulated as hazardous air pollutants whose emissions must be lowered as much as possible depending on technological and practical considerations.

NO_x, carbon monoxide and other pollutants are frequently controlled via exhaust gas recirculation which returns some of the exhaust back into the engine intake. Catalytic converters are used to convert exhaust chemicals to CO
₂ (a greenhouse gas), H
₂O (water vapour, also a greenhouse gas) and N
₂ (nitrogen).

The emission standards used by many countries have special requirements for non-road engines which are used by equipment and vehicles that are not operated on the public roadways. The standards are separated from the road vehicles.^[57]

Significant contributions to noise pollution are made by internal combustion engines. Automobile and truck traffic operating on highways and street systems produce noise, as do aircraft flights due to jet noise, particularly supersonic-capable aircraft. Rocket engines create the most intense noise.

Internal combustion engines continue to consume fuel and emit pollutants while idling. Idling is reduced by stop-start systems.

A good way to estimate the mass of carbon dioxide that is released when one litre of diesel fuel (or gasoline) is combusted can be found as follows:^[58]

As a good approximation the chemical formula of diesel is C
_nH
_2n. In reality diesel is a mixture of different molecules. As carbon has a molar mass of 12 g/mol and hydrogen (atomic) has a molar mass of about 1 g/mol, the fraction by weight of carbon in diesel is roughly 12⁄14.

The reaction of diesel combustion is given by:

2C
_nH
_2n + 3nO
₂ ⇌ 2nCO
₂ + 2nH
₂O

Carbon dioxide has a molar mass of 44 g/mol as it consists of 2 atoms of oxygen (16 g/mol) and 1 atom of carbon (12 g/mol). So 12 g of carbon yields 44 g of carbon dioxide.

Diesel has a density of 0.838 kg per litre.

Putting everything together the mass of carbon dioxide that is produced by burning 1 litre of diesel can be calculated as:

${\displaystyle 0.838kg/L\cdot {\frac {12}{14}}\cdot {\frac {44}{12}}=2.63kg/L}$

The figure obtained with this estimation is close to the values found in the literature.

For gasoline, with a density of 0.75 kg/L and a ratio of carbon to hydrogen atoms of about 6 to 14, the estimated value of carbon dioxide emission from burning 1 litre of gasoline is:

${\displaystyle 0.75kg/L\cdot {{\frac {6\cdot 12}{6\cdot 12+14}}\cdot 1}\cdot {\frac {44}{12}}=2.3kg/L}$

The term parasitic loss is often applied to devices that take energy from the engine in order to enhance the engine's ability to create more energy or convert energy to motion. In the internal combustion engine, almost every mechanical component, including the drivetrain, causes parasitic loss and could thus be characterized as a parasitic load.

Bearings, oil pumps, piston rings, valve springs, flywheels, transmissions, driveshafts, and differentials all act as parasitic loads that rob the system of power. These parasitic loads can be divided into two categories: those inherent to the working of the engine and those drivetrain losses incurred in the systems that transfer power from the engine to the road (such as the transmission, driveshaft, differentials and axles).

For example, the former category (engine parasitic loads) includes the oil pump used to lubricate the engine, which is a necessary parasite that consumes power from the engine (its host). Another example of an engine parasitic load is a supercharger, which derives its power from the engine and creates more power for the engine. The power that the supercharger consumes is parasitic loss and is usually expressed in kilowatt or horsepower. While the power that the supercharger consumes in comparison to what it generates is small, it is still measurable or calculable. One of the desirable features of a turbocharger over a supercharger is the lower parasitic loss of the former.^[59]

Drivetrain parasitic losses include both steady state and dynamic loads. Steady state loads occur at constant speeds and may originate in discrete components such as the torque converter, the transmission oil pump, and/or clutch drag, and in seal/bearing drag, churning of lubricant and gear windage/friction found throughout the system. Dynamic loads occur under acceleration and are caused by inertia of rotating components and/or increased friction.^[60]

While rules of thumb such as a 15% power loss from drivetrain parasitic loads have been commonly repeated, the actual loss of energy due to parasitic loads varies between systems. It can be influenced by powertrain design, lubricant type and temperature and many other factors.^[60][61] In automobiles, drivetrain loss can be quantified by measuring the difference between power measured by an engine dynamometer and a chassis dynamometer. However, this method is primarily useful for measuring steady state loads and may not accurately reflect losses due to dynamic loads.^[60] More advanced methods can be used in a laboratory setting, such as measuring in-cylinder pressure measurements, flow rate and temperature at certain points, and testing of individual parts or sub-assemblies to determine friction and pumping losses.^[62]

For example, in a dynamometer test by Hot Rod magazine, a Ford Mustang equipped with a modified 357ci small-block Ford V8 engine and an automatic transmission had a measured drivetrain power loss averaging 33%. In the same test, a Buick equipped with a modified 455ci V8 engine and a 4-speed manual transmission was measured to have an average drivetrain power loss of 21%.^[63]

Laboratory testing of a heavy-duty diesel engine determined that 1.3% of the fuel energy input was lost to parasitic loads of engine accessories such as water and oil pumps.^[62]

Automotive engineers and tuners commonly make design choices that reduce parasitic loads in order to improve efficiency and power output. These may involve the choice of major engine components or systems, such as the use of dry sump lubrication system over a wet sump system. Alternately, this can be effected through substitution of minor components available as aftermarket modifications, such as exchanging a directly engine-driven fan for one equipped with a fan clutch or an electric fan.^[63] Another modification to reduce parasitic loss, usually seen in track-only cars, is the replacement of an engine-driven water pump for an electrical water pump.^[64] The reduction in parasitic loss from these changes may be due to reduced friction or many other variables that cause the design to be more efficient.^{[citation needed]}

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• Ricardo, Harry (1931). The High-Speed Internal Combustion Engine.
• Singal, R.K. Internal Combustion Engines. New Delhi, India: Kataria Books. ISBN 978-93-5014-214-1.
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• Patents:
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  • ES 230551, Ortuno Garcia Jose, "Un Nuevo Motor de Explosion", published 1957-03-01 
  • ES 249247, Ortuno Garcia Jose, "Motor de Carreras Distintas", published 1959-09-01 

• Singer, Charles Joseph; Raper, Richard (1978). Charles, Singer; et al. (eds.). A History of Technology: The Internal Combustion Engine. Clarendon Press. pp. 157–176. ISBN 978-0-19-858155-0.
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• Suzuki, Takashi (1997). The Romance of Engines. US: Society of Automotive Engineers. ISBN 978-1-56091-911-7.
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• Gunston, Bill (1999). Development of Piston Aero Engines. PSL. ISBN 978-1-85260-619-0.

• Combustion video – in-cylinder combustion in an optically accessible, 2-stroke engine
• Animated Engines – explains a variety of types
• Intro to Car Engines – Cut-away images and a good overview of the internal combustion engine
• Walter E. Lay Auto Lab – Research at The University of Michigan
• YouTube – Animation of the components and built-up of a 4-cylinder engine
• YouTube – Animation of the internal moving parts of a 4-cylinder engine
• Next generation engine technologies retrieved May 9, 2009
• How Car Engines Work
• Unusual Internal-Combustion Engines
• Aircraft Engine Historical Society (AEHS) – AEHS Home