(3)  내연 기관

가스 또는 액체 연료를 직접 기관 내부에서 연소시켜 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 원동기를 내연 기관이라 한다. 내연 기관은 보일러 등과 같은 대형 연소 장치가 필요 없어서 비교적 소형으로 큰 출력을 얻을 수 있어서 자동차, 항공기, 철도 차량, 선박 등 교통 기관에 많이 쓰이고 있다. 내연 기관에는 가솔린 기관, 디젤 기관, 가스 터빈, 제트 기관, 로켓 기관 등이 있다.

① 피스톤 기관

가솔린 기관은 가솔린을 연료로 사용하며, 기화기에서 연료와 공기를 혼합하여 혼합 기체를 만들고 이 혼합기를 실린더 안에 흡입하여 압축·연소시킨 후 연소에 의한 팽창력으로 피스톤을 움직여 동력을 얻을 수 있다.
가솔린 기관이 회전을 계속하려면 혼합기의 흡입, 압축, 폭발, 배기의 네 가지 작용을 되풀이하게 되는데, 이러한 일련의 작동을 사이클(cycle)이라고 한다. 사이클 중 피스톤이 실린더의 가장 위쪽에 위치할 때를 상사점, 가장 아래쪽에 위치할 때를 하사점이라 하며, 피스톤이 하사점과 상사점 사이를 이동하는 거리를 행정(stroke)이라 한다. 가솔린 기관은 4행정 사이클 기관과 2행정 사이클 기관이 있는데, 크기가 작고 가벼우면서, 큰 출력을 얻을 수 있어서 자동차, 오토바이 및 각종 산업용 기계에 많이 쓰이고 있다.

① 4행정 사이클 가솔린 기관
4행정 가솔린 기관은 크랭크축의 2회전으로 한 사이클이 끝나게 된다. 한 사이클을 이루는 동안 크랭크 축은 2회전하고, 캠 축은 1회전한다.
㉮ 흡입 행정
피스톤이 상사점에서 하사점으로 내려가면서 이루어지는 행정으로, 흡기 밸브가 열리면서 기화기로부터 공기와 연료의 혼합기가 실린더 내부로 흡입된다. 실린더 내부의 압력은 흡입 행정 때에 가장 낮다.
㉯ 압축 행정
흡기 밸브와 배기 밸브가 모두 닫힌 상태에서 피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 실린더 내에 흡입된 혼합기를 압축하는 행정이다. 압축 행정이 끝나기 직전에 점화 플러그가 불꽃을 일으켜 점화한다.
㉰ 폭발 행정
점화된 혼합기는 연소되면서 부피가 팽창하게 되는데, 이 때 피스톤은 하강 행정을 시작하게 되므로 연소 가스의 팽창력에 의하여 강한 힘을 얻게 된다. 이 팽창력이 기관의 출력으로 작용하게 된다. 폭발 행정에서 피스톤이 상사점 부근에 있을 때의 실린더 안의 압력이 가장 높다.
㉱ 배기 행정
피스톤이 하사점에서 상사점으로 상승하면서 배기 밸브가 열리고 연소된 배기 가스가 실린더 밖으로 배출된다.

② 2행정 사이클 가솔린 기관
크랭크축의 매 회전마다 팽창이 이루어지면서 동력을 발생하는 기관이다. 2행정 사이클 가솔린 기관은 흡기, 배기 밸브가 없고 실린더 벽에 흡기구, 배기구 및 소기구가 있으며, 피스톤이 실린더 내부에서 1회 왕복하여 한 사이클을 구성한다.
㉮ 하강 행정
피스톤이 상사점에 있을 때 연소실의 압축된 혼합기가 연소되면서, 연소 가스가 고압으로 피스톤을 밀어내면, 피스톤이 하강하면서 출력을 얻고, 곧바로 배기구가 열리면서 연소 가스는 배출된다. 피스톤이 계속 내려가면서 크랭크실에 흡입된 혼합기가 연소실로 올라가는 소기(scavenging)가 이루어진다.
㉯ 상승 작용
피스톤이 하사점을 통과하여 상승작용이 시작되어도 얼마 동안은 크랭크실로 혼합기를 흡입하는 행정이 계속되다가 피스톤이 계속 상승하면 소기구가 닫히고 이어서 배기구도 닫힌다. 배기구와 소기구가 닫힌 이후에는 압축행정이 이어지면서 한 사이클을 완성한다.

③ 4행정 기관과 2행정 기관의 비교