内燃机是通过使燃料在机器内部燃烧，并将燃料燃烧放出的热能直接转换为动力的热力发动机。
内燃机有广义和狭义之分。广义上的内燃机不仅包括往复活塞式内燃机、旋转活塞式发动机和自由活塞式发动机，也包括旋转叶轮式的燃气轮机、喷气式发动机等，但人们经常说到的内燃机是指活塞式内燃机。
活塞式内燃机中经常用到的是复活塞式内燃机。活塞式内燃机将燃料和空气混合，在其气缸内燃烧，释放出的热能使气缸内产生高温高压的燃气。燃气膨胀推动活塞做功，再通过曲柄连杆机构或其他机构将机械功输出，驱动从动机械工作。
内燃机的发展历史
19世纪60年代，活塞式内燃机问世，经过不断改进和发展，现在的活塞式内燃机已是比较完善的机械。它热效率高、功率和转速范围宽、配套方便、机动性好，获得了广泛的应用。全世界各种类型的汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车等都以内燃机为动力。海上商船、内河船舶和常规舰艇以及某些小型飞机也都由内燃机来推进。世界上内燃机的保有量在动力机械中居首位，它在人类活动中占有非常重要的地位。
活塞式内燃机最初准备用火药爆炸获取动力，但是火药爆炸很难控制，所以这个方案没有取得成功。1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。在此之后人们陆续提出过各种各样的内燃机方案，但在19世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国的勒努瓦模仿蒸汽机的结构设计制造出一台煤气机，这样，内燃机方案才应用到实践中来。这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机，勒努瓦在这台煤气机中采用了弹力活塞环，这台煤气机的热效率为4%左右。
英国的巴尼特提议过将可燃混合气在点火之前进行压缩，随后又有人著文论述对可燃混合气进行压缩的重要作用，并且指出压缩可以大大提高勒努瓦内燃机的效率。1862年，法国科学家罗沙对内燃机热力过程进行理论分析之后，提出提高内燃机效率的要求，这就是最早的四冲程工作循环。
1876年，德国发明家奥托运用罗沙四冲程工作循环的活塞原理，创制成功第一台往复活塞式、单缸、卧式、3.2千瓦的四冲程内燃机，内燃机以煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14％，运转平稳。在当时，无论是功率还是热效率，它都是最高的。
奥托内燃机获得推广，它的性能也在不断提高。1880年单机功率达到11～15千瓦，到1893年又提高到150千瓦。由于压缩比的提高，热效率也随之增高，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20%～26％。1881年，英国工程师克拉克研制成功第一台二冲程的煤气机，并在巴黎博览会上展出。
随着石油的大量开发，比煤气易于运输携带的汽油和柴油引起了人们的关注，首先被成功获得试用的是易于挥发的汽油。1883年，德国的戴姆勒创制成功第一台立式汽油机，它的特点是轻型和高速。当时其他内燃机的转速不超过200转/分，这种立式汽油机的转速却一跃而达到800转/分，特别适应交通运输机械的要求。1885～1886年，汽油机作为汽车动力运行成功，这大大推动了汽车的发展，汽车的发展又反过来促进了汽油机的改进和提高。不久汽油机又用作了小船的动力。
1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，设想将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料的自燃温度，再用高压空气将燃料吹入气缸，使之着火燃烧。他首创的压缩点火式内燃机于1897年研制成功，为内燃机的发展开拓了新途径。
狄塞尔最初力图使内燃机实现卡诺循环，以求获得最高的热效率，但实际上做到的是近似的等压燃烧，其热效率达26％。压缩点火式内燃机的问世，引起了世界机械业的广泛关注，压缩点火式内燃机也以其发明者之名命名为“狄塞尔引擎”。
这种压缩点火式内燃机大多用柴油为燃料，故又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。
早在往复活塞式内燃机诞生以前，人们就曾试图创造旋转活塞式的内燃机，但没有取得成功。1954年，联邦德国工程师汪克尔解决了内燃机的密封问题后，并于1957年研制出旋转活塞式发动机，这种发动机被称为“汪克尔发动机”。“汪克尔发动机”具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内做旋转运动，按奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运转平稳、结构简单、维修方便，但它也有很大的不足，比如燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，因而现在只有个别型号的轿车采用这种发动机。
内燃机的组成
内燃机是一个复杂的装置，其组成部分很多。往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。
气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。各个装有气缸套的气缸安装在机体里，它的顶端用气缸盖封闭着。活塞可在气缸套内往复运动，并从气缸下部封闭气缸，从而形成容积做规律变化的密封空间。燃料在这个密封的空间内燃烧，产生的燃气动力推动活塞运动。活塞的往复运动经过连杆推动曲轴做旋转运动，曲轴再从飞轮端将动力输出。由活塞组、连杆组、曲轴和飞轮组成的曲柄连杆机构是内燃机传递动力的主要部分。
活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。活塞呈圆柱形，上面装有活塞环，借以在活塞往复运动时密闭气缸。上面的几道活塞环称为气环，用来封闭气缸，防止气缸内的气体泄漏，下面的环称为油环，用来将气缸壁上的多余的润滑油刮下，防止润滑油窜入气缸。活塞销呈圆筒形，它穿入活塞上的销孔和连杆小头中，将活塞和连杆连接起来。连杆大头端分成两半，由连杆螺钉连接起来，它与曲轴的曲柄销相连。连杆工作时，连杆小头端随活塞做往复运动，连杆大头端随曲柄销绕曲轴轴线做旋转运动，连杆大小头间的杆身做复杂的摇摆运动。
曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动，并将膨胀行程所做的功通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。飞轮能储存能量，使活塞的其他行程能正常工作，并使曲轴旋转均匀。为了平衡惯性力和减轻内燃机的振动，在曲轴的曲柄上还适当安装平衡装置。
气缸盖中有进气道和排气道，内装进、排气门。新鲜充量经空气滤清器、进气管、进气道和进气门充入气缸。膨胀后的燃气经排气门、排气道和排气管，最后经排气消声器排入大气。进、排气门的开启和关闭是由凸轮轴上的进、排气凸轮通过挺柱、推杆、摇臂和气门弹簧等传动件分别加以控制的，这一套机件称为内燃机配气机构。通常由空气滤清器、进气管、排气管和排气消声器组成。
内燃机均设有供油系统，这个供油系统是向气缸内供入燃料的。汽油机通过安装在进气管入口端的化油器将空气与汽油按一定比例混合，然后经进气管供入气缸，由汽油机点火系统控制的电火花定时点燃。柴油机的燃油则通过柴油机喷油系统喷入燃烧室，在高温高压下自行着火燃烧。
内燃机气缸内的燃料燃烧使活塞、气缸盖和气门等零件受热，温度升高。为了保证内燃机的正常运行，上述零件必须在许可的温度下工作，从而使内燃机不致因过热而损坏，所以必须备有冷却系统。
内燃机不能从停止状态自行转入运转状态，必须借助外力转动曲轴，使之起动，这种产生外力的装置称为起动装置。起动装置常用的有电起动、压缩空气起动、汽油机起动和人力起动等方式。
内燃机的工作
内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这一系列过程中只有膨胀过程是对外做功的过程，其他过程都是为更好地实现做功过程而准备的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。
四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环，在这段时间里曲轴旋转两圈。进气行程时，此时进气门开启，排气门关闭。流过空气滤清器的空气或经化油器与汽油混合形成的可燃混合气，经进气管道、进气门进入气缸；压缩行程时，气缸内气体受到压缩，压力增高，温度上升；膨胀行程是在压缩上止点前喷油或点火，使混合气燃烧，产生高温、高压，推动活塞下行并作功；排气行程时，活塞推挤气缸内废气经排气门排出。此后再由进气行程开始，进行下一个工作循环。
二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环，在这段时间里曲轴旋转一圈。首先，当活塞在下止点时，进、排气口都开启，新鲜充量由进气口充入气缸，并扫除气缸内的废气，使之从排气口排出；随后活塞上行，将进、排气口均关闭，气缸内充量开始受到压缩，直至活塞接近上止点时点火或喷油，使气缸内可燃混合气燃烧；然后气缸内燃气膨胀，推动活塞下行作功；当活塞下行使排气口开启时，废气即由此排出活塞继续下行至下止点，这样就完成了一个工作循环。
内燃机的排气过程和进气过程统称为换气过程。换气的主要作用是尽可能把上一循环的废气排除干净，使本循环供入尽可能多的新鲜充量，以使尽可能多的燃料在气缸内完全燃烧，从而发出更大的功率。换气过程的好坏直接影响内燃机的性能。为此除了降低进、排气系统的流动阻力外，主要是使进、排气门在最适当的时刻开启和关闭。
实际上，进气门是在上止点前即开启，以保证活塞下行时进气门有较大的开度，这样可在进气过程开始时减小流动阻力，减少吸气所消耗的功，同时也可充入较多的新鲜充量。当活塞在进气行程中运行到下止点时，由于气流惯性，新鲜充量仍可继续充入气缸，故使进气门在下止点后延迟关闭。
排气门也在下止点前提前开启，即在膨胀行程后部分就开始排气，这是为了利用气缸内较高的燃气压力，使废气自动流出气缸，从而使活塞从下止点向上止点运动时气缸内气体压力低些，以减少活塞将废气排挤出气缸所消耗的功。排气门在上止点后关闭的目的是利用排气流动的惯性使气缸内的残余废气排除得更为干净。
内燃机的性能主要包括动力性能和经济性能。动力性能是指内燃机发出的功率，表示内燃机在能量转换中量的大小，标志动力性能的参数有扭矩和功率等。经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少，表示能量转换中质的优劣，标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率。
内燃机未来的发展将着重于改进燃烧过程，提高机械效率，减少散热损失，降低燃料消耗率；开发和利用非石油制品燃料、扩大燃料资源；减少排气中有害成分，降低噪声和振动，减轻对环境的污染；采用高增压技术，进一步强化内燃机，提高单机功率；研制复合式发动机、绝热式涡轮复合式发动机等；采用微处理机控制内燃机，使之在最佳工况下运转；加强结构强度的研究，以提高工作可靠性和寿命，不断创制新型内燃机。
