内燃机是一种热机，燃料在工质内部燃烧，产生的高温气体通过膨胀做机械功（物理学）。它将化学能量转化为热能，再转化为机械输出。与从外部受热的蒸汽机不同，内燃机不需要单独的锅炉将燃烧产生的热量传递给工质。“内燃机”通常指活塞式发动机，但由燃烧驱动的燃气轮机也属于广义的内燃机。内燃机用于道路车辆、船舶、飞机、机械设备及发电等领域。(ocw.mit.edu)
工作原理与结构
在往复式发动机中，燃烧使气缸内气体的温度和压强升高。气体压力推动活塞，活塞通过连杆将力传递给曲轴。这一机构将往复运动转化为旋转运动。压缩进入气缸的充量需要消耗一定的功；只有膨胀过程中产生的功大于压缩及其他过程消耗的功，发动机才能提供有效输出。(energy.gov)
气缸容积的变化是发动机运行的关键。压缩比是气缸最大容积与最小容积之比。发动机排量是活塞扫过的容积，而不是各气缸处于最大容积时的总容积。气缸压力、排量和转速共同影响发动机能够提供的输出。(www1.grc.nasa.gov)
供油系统和点火系统决定燃烧如何开始。进排气通道负责气体交换，冷却和润滑系统则处理传热与机械摩擦问题。这些辅助过程会影响发动机的耐久性、效率，以及气缸内产生的功与有效轴端输出之间的差额。(ocw.mit.edu)
点火方式与工作循环
传统车辆发动机主要采用两种点火方式：火花点火和压缩点火。在火花点火发动机中，电火花点燃燃料与空气的混合气。燃料可以在气缸上游引入，也可以直接喷入气缸。在柴油机中，空气先被压缩至足够高的温度，随后喷入的燃料自行着火。因此，点火方式与燃料喷射位置是两个不同的概念。(energy.gov)
四冲程发动机通过四个活塞冲程完成一个工作循环，对应曲轴旋转两周：
- **进气：**新鲜空气或燃料与空气的混合气进入气缸。
- **压缩：**活塞使充量的体积减小。
- **做功：**燃烧及随后的膨胀推动活塞。
- **排气：**燃烧后的气体排出气缸。
实际的点火时刻及气门开启、关闭时刻不一定恰好位于各冲程的分界点。上述顺序描述的是机械运行过程，而不是四个完全独立的热力学过程。(www1.grc.nasa.gov)
二冲程发动机在曲轴旋转一周的过程中完成一个工作循环。气体交换集中在循环中较短的一段时间内，因此扫气——在供入新鲜充量的同时排出废气——尤为重要。更频繁的做功冲程并不意味着有效功率必然翻倍，因为气体交换及其他实际限制会影响发动机性能。(ocw.mit.edu)
热力学模型与性能
发动机分析利用热力学研究燃料输入、压缩、膨胀及放热之间的关系。理想奥托循环以定容加热和理想化的压缩、膨胀过程来描述火花点火发动机的运行。理想柴油循环则采用定压加热。这些都是用于分析的模型：实际燃烧需要时间，气体性质会发生变化，热量也会通过发动机壁面传递。(www1.grc.nasa.gov)
指示功由气缸内的压力—容积循环求得。有效输出是扣除机械损失后由轴端提供的有用输出。转矩衡量产生旋转作用的能力，功率则衡量做功的速率。因此，不能仅凭排量或峰值功率判断效率；转速和负荷同样重要。燃油消耗特性图表明，同一台发动机在不同工况下的效率可能存在显著差异。(www1.grc.nasa.gov)
涡轮增压器利用废气驱动涡轮，带动压气机压缩进气，从而增加可用于燃烧的空气量。增压会改变气缸充气状况，以及发动机与排气系统的性能匹配。其效益取决于工况和发动机设计，并不意味着在所有应用中都能带来固定幅度的效率提升。(ocw.mit.edu)
其他形式与历史发展
燃气轮机依靠气体连续流经压气机、燃烧室和涡轮工作，而不是依靠活塞反复往复运动。其理想化的热力学模型是布雷顿循环。气体在涡轮中膨胀，为压气机提供动力；根据具体构型，剩余输出可用于提供轴功率，也可通过排气喷管产生推力。(grc.nasa.gov)
内燃机在19世纪经历了多种设计的商业化发展。艾蒂安·勒努瓦于1860年前后制造了一种早期实用燃气发动机，其充量在燃烧前不经过压缩。尼古拉斯·奥托与欧根·朗根于1867年研制出大气式自由活塞发动机，随后奥托于1876年推出四冲程发动机。鲁道夫·狄塞尔在19世纪90年代研制了压缩点火式机械；德意志博物馆保存着一台1897年制造的、能够运行的发动机。这些里程碑涉及不同的机械原理，并非同一项发明始终不变地延续下来。(ocw.mit.edu)
燃料、排放与应用
发动机燃料包括汽油、柴油、醇类和天然气。常规石油燃料属于化石燃料，但适配的发动机也可以使用乙醇或生物柴油。内燃机为汽车提供动力，也可以与电动机组合构成混合动力系统。点火方式、燃料性质和应用需求决定了哪些组合具有实用性。(energy.gov)
废气可能含有一氧化碳、未燃烃、氮氧化物和颗粒物。不完全氧化会产生一氧化碳和未燃燃料排放；氮与氧参与的高温反应会产生氮氧化物。颗粒物可能在局部燃料过浓的区域形成，也可能来源于润滑油。(ocw.mit.edu)
催化转化器通过促进化学反应，减少特定气态污染物。柴油颗粒过滤器捕集颗粒物，选择性催化还原系统则针对氮氧化物。这些技术处理不同的污染物，可以组合使用；减少颗粒物排放并不等同于减少氮氧化物排放。其效果取决于发动机、排气状况以及后处理系统的配置。(ocw.mit.edu)