熱力發動機的發動機效率是燃料中包含的總能量與用于執行有用功的能量之間的關系。熱機有兩種分類——

• 內燃機（汽油、柴油和燃氣輪機-布雷頓循環發動機）和
• 外燃發動機（蒸汽活塞、蒸汽渦輪和斯特林循環發動機）。

這些發動機中的每一個都具有獨特的熱效率特性。發動機效率、變速箱設計和輪胎設計都有助于提高車輛的燃油效率。

發動機的效率定義為完成的有用功與提供的熱量之比。請注意，術語所做的功與離合器或驅動軸上傳遞的功率有關。這意味著從熱力學膨脹所做的功中減去摩擦和其他損失。因此，不向外部環境傳遞任何工作的發動機效率為零。

內燃機的效率取決于幾個因素，其中最重要的是膨脹比。對于任何熱機，可以從中提取的功與膨脹階段的起始壓力和結束壓力之間的差值成正比。因此，增加啟動壓力是增加提取功的有效方法（降低結束壓力，就像蒸汽渦輪機通過排氣進入真空一樣，同樣有效）。典型汽油（汽油）的膨脹比（純粹從機械部件的幾何形狀計算）為10:1（優質燃料）或9:1（普通燃料），某些發動機的膨脹比達到12:1或更高.膨脹比越大，發動機效率越高，原則上，更高的壓縮/膨脹比傳統發動機原則上需要具有更高辛烷值的汽油，盡管這種簡單的分析由于實際壓縮比和幾何壓縮比之間的差異而變得復雜。高辛烷值抑制燃料在高壓縮/高熱條件下幾乎瞬間燃燒（稱為爆震或爆震）的趨勢。然而，在使用壓縮而不是火花點火的發動機中，通過非常高的壓縮比(14–25:1)，例如柴油發動機或Bourke發動機，不需要高辛烷值燃料。事實上，通常按十六烷值評定的低辛烷值燃料在這些應用中更可取，因為它們在壓縮下更容易點燃。在部分節氣門條件下（即當節氣門未完全打開時），有效壓縮比低于發動機以全節氣門運行時，這是因為進入的燃料-空氣混合物受到限制且無法填充的簡單事實腔室達到完全大氣壓。發動機效率低于發動機全速運轉時的效率。該問題的一種解決方案是將多缸發動機中的負載從一些氣缸（通過停用它們）轉移到其余氣缸，以便它們可以在更高的單獨負載下運行并且具有相應更高的有效壓縮比。這種技術被稱為可變位移。大多數汽油（汽油、奧托循環）和柴油（柴油循環）發動機的膨脹比等于壓縮比。一些使用阿特金森循環或米勒循環的發動機通過膨脹比大于壓縮比來提高效率。柴油發動機的壓縮/膨脹比在14:1到25:1之間。在這種情況下，由于壓縮比超過20:1的柴油機是間接噴射柴油機（與直接噴射相反），因此較高壓縮比提高效率的一般規則不適用。這些使用前室來實現汽車/轎車和輕型卡車所需的高轉速操作。來自前室的熱和氣體動態損失導致直接噴射柴油（盡管它們的壓縮/膨脹比較低）更有效。

發動機有許多會產生摩擦的運動部件。其中一些摩擦力保持不變（只要施加的負載不變）；其中一些摩擦損失會隨著發動機轉速的增加而增加，例如活塞側向力和連接軸承力（由于來自擺動活塞的慣性力增加）。一些摩擦力在更高的速度下減小，例如用于操作入口和出口閥的凸輪凸角上的摩擦力（高速時閥的慣性傾向于將凸輪從動件拉離凸輪凸角）。除了摩擦力外，運轉中的發動機還具有泵送損失，這是將空氣移入和移出氣缸所需的功。這種泵送損失在低速時最小，但大約隨著速度的平方增加，

空氣中大約有21%的氧氣。如果沒有足夠的氧氣進行適當的燃燒，燃料將不會完全燃燒并且會產生更少的能量。燃料與空氣的比例過高會增加發動機中未燃燒的碳氫化合物污染物。如果由于燃料過多而消耗了所有氧氣，則發動機的功率會降低。由于燃燒溫度會隨著燃料空氣混合物的稀薄而增加，因此未燃燒的碳氫化合物污染物必須與較高水平的污染物（例如在較高燃燒溫度下產生的氮氧化物(NOx)）相平衡。這有時可以通過在燃燒室上游引入燃料以通過蒸發冷卻來冷卻進入的空氣來緩解。這可以增加進入氣缸的總充氣量（因為較冷的空氣會更密集），從而產生更多的動力，但碳氫化合物污染物的含量更高，氮氧化物污染物的含量更低。使用直接噴射，這種效果沒有那么顯著，但它可以冷卻燃燒室，足以減少某些污染物，例如氮氧化物(NOx)，同時提高其他污染物，例如部分分解的碳氫化合物。空氣-燃料混合物被吸入發動機，因為活塞的向下運動會產生部分真空。壓縮機還可用于將更大的充氣（強制感應）強制進入氣缸以產生更多動力。壓縮機要么是機械驅動的增壓器，要么是排氣驅動的渦輪增壓器。無論哪種方式，強制進氣都會增加氣缸入口外部的氣壓。還有其他方法可以增加發動機內可用的氧氣量；其中之一是向混合物中注入一氧化二氮(N2O)，有些發動機使用硝基甲烷，這是一種提供燃燒所需氧氣的燃料。因此，混合物可能是1份燃料和3份空氣；因此，可以在發動機內部燃燒更多的燃料，并獲得更高的功率輸出。

怠速時的往復式發動機熱效率低，因為從發動機中抽出的xxx可用功來自發電機。在低速時，汽油發動機在小節氣門開度處因高湍流和摩擦（頭部）損失而遭受效率損失，當進入的空氣必須在幾乎關閉的節氣門周圍流動時（泵損失）；柴油發動機不會遭受這種損失，因為進入的空氣沒有受到節流，但由于使用全部充氣來壓縮空氣以產生少量動力輸出而遭受壓縮損失。在高速下，兩種類型的發動機的效率都會因泵送和機械摩擦損失以及必須發生的燃燒時間較短而降低。高速也會導致更大的阻力。

現代汽油發動機的xxx熱效率超過50%，但用于為汽車提供動力的道路合法汽車只有20%至35%左右。換句話說，即使發動機在其xxx熱效率點運行，消耗的汽油所釋放的總熱能中，也有大約65-80%的總功率作為熱量散發而沒有轉化為有用功，即轉動曲軸。大約一半的熱量被廢氣帶走，一半通過氣缸壁或氣缸蓋進入發動機冷卻系統，并通過冷卻系統散熱器傳遞到大氣中。產生的一些功也會因摩擦、噪音、空氣湍流以及用于轉動發動機設備和電器（如水泵、油泵和發電機）的功而損失，汽油發動機燃燒汽油和空氣的混合物，由大約12到18份（按重量計算）的空氣和一份（按重量計算的）燃料組成。空氣/燃料比為14.7:1的混合物是化學計量的，也就是說，當燃燒時，xxx的燃料和氧氣被消耗掉。燃料略少的混合物，稱為稀薄燃燒，效率更高。燃燒是利用空氣中的氧氣與燃料結合的反應，燃料是幾種碳氫化合物的混合物，產生水蒸氣、二氧化碳，有時還產生一氧化碳和部分燃燒的碳氫化合物。此外，在高溫下，氧傾向于與氮結合，形成氮的氧化物（通常稱為NOx，因為化合物中氧原子的數量可以變化，因此X下標）。這種混合物，在2008年到2015年，GDI（汽油直噴）將配備這種加油系統的發動機的效率提高了35%。目前，到2020年，該技術可用于各種車輛。

使用柴油循環的發動機通常效率更高，盡管柴油循環本身在相同壓縮比下效率較低。由于柴油發動機使用更高的壓縮比（壓縮熱用于點燃緩慢燃燒的柴油燃料），因此更高的壓縮比足以補償發動機內的空氣泵送損失。現代渦輪柴油發動機使用電子控制的共軌燃油噴射來提高效率。借助幾何可變渦輪增壓系統（盡管需要更多維護），這也增加了發動機在低發動機轉速（1200–1800RPM）下的扭矩。MANS80ME-C7等低速柴油發動機的整體能量轉換效率達到了54.4%，這是所有單循環內燃或外燃發動機中燃料轉化為動力的最高效率。大型柴油卡車、公共汽車和新型柴油汽車的發動機可實現45%左右的峰值效率。

燃氣輪機在xxx功率輸出時效率最高，就像往復式發動機在xxx負載時效率最高一樣。不同之處在于，在較低的轉速下，壓縮空氣的壓力會下降，因此熱效率和燃油效率會急劇下降。效率隨著功率輸出的降低而穩步下降，并且在低功率范圍內非常差。通用汽車公司曾經制造了一輛由燃氣輪機驅動的公共汽車，但由于1970年代原油價格的上漲，這一概念被放棄了。羅孚、克萊斯勒和豐田也制造了渦輪動力汽車的原型，克萊斯勒制造了一個簡短的原型系列，用于實際評估。駕駛舒適性很好，但由于上述原因，整體經濟性欠佳。這也是為什么燃氣輪機可用于xxx和高峰電力發電廠的原因。在此應用中，它們僅在高效或不需要時關閉的情況下以或接近全功率運行。燃氣輪機在功率密度方面確實具有優勢——燃氣輪機被用作重型裝甲車輛和裝甲坦克的發動機，以及噴氣式戰斗機的發電機。對燃氣輪機效率產生負面影響的另一個因素是環境空氣溫度。隨著溫度的升高，進氣變得不那么稠密，因此燃氣輪機的功率損失與環境空氣溫度的升高成正比。最新一代燃氣渦輪發動機在簡單循環中的效率達到了46%，在聯合循環中使用時達到了61%。

另見：蒸汽機#Efficiency另見：蒸汽動力時間表

蒸汽機和渦輪機在朗肯循環上運行，實際發動機的xxx卡諾效率為63%，蒸汽輪機發電廠的效率可達到40%左右。蒸汽機的效率主要與蒸汽溫度和壓力以及級數或膨脹數有關。隨著工作原理的發現，蒸汽機的效率得到了提高，這導致了熱力學科學的發展。見圖：蒸汽機效率在最早的蒸汽機中，鍋爐被認為是發動機的一部分。今天，它們被認為是分開的，因此有必要知道所聲明的效率是整體的，包括鍋爐，還是僅僅發動機。由于以下幾個原因，很難比較早期蒸汽機的效率和功率：1)蒲式耳煤沒有標準重量，可能在82到96磅（37到44公斤）之間。2）煤沒有標準的熱值，可能沒有辦法測量熱值。這些煤的熱值比今天的蒸汽煤高得多，有時會提到13,500BTU/磅（31兆焦耳/千克）。3)效率被報告為責任，這意味著產生了多少英尺磅（或牛頓米）的工作提升水，但機械泵送效率未知。由ThomasNewcomen于1710年左右開發的xxx臺活塞式蒸汽機的效率略高于0.5%（0.5%）。它通過負載將接近大氣壓的蒸汽吸入氣缸中運行，然后通過向充滿蒸汽的氣缸中噴射冷水進行冷凝，從而在氣缸中產生部分真空和大氣壓力以驅動活塞下降。使用汽缸作為冷凝蒸汽的容器也冷卻了汽缸，因此下一個循環中進入的蒸汽中的一些熱量在加熱汽缸時損失了，降低了熱效率。JohnSmeaton對Newcomen發動機所做的改進將效率提高到1%以上。詹姆斯瓦特對紐科門發動機進行了幾項改進，其中最重要的是外部冷凝器，它可以防止冷卻水冷卻氣缸。瓦特的發動機使用略高于大氣壓的蒸汽運行。瓦特的改進將效率提高了2.5倍以上。缺乏一般機械能力，包括熟練的機械師、機床和制造方法，直到大約1840年才限制了實際發動機及其設計的效率。高壓發動機由OliverEvans和RichardTrevithick獨立開發。這些發動機效率不高，但功率重量比高，因此可用于為機車和船只提供動力。瓦特首先使用離心調速器來保持恒定速度，它通過節流入口蒸汽來工作，從而降低壓力，導致高壓（高于大氣壓）發動機的效率損失。后來的控制方法減少或消除了這種壓力損失。Corliss蒸汽機（1849年獲得專利）的改進閥門機構能夠更好地根據不同負載調節速度，并將效率提高約30%。Corliss發動機為入口和排氣蒸汽配備了獨立的閥門和集管，因此熱的進料蒸汽永遠不會接觸到較冷的排氣口和閥門。閥門動作迅速，減少了蒸汽的節流量，從而加快了響應速度。調速器不是操作節流閥，而是用于調節閥門正時以提供可變的蒸汽切斷。可變截止是科利斯發動機效率提高的主要部分。Corliss之前的其他人至少也有過這個想法，包括ZachariahAllen，他為可變切割申請了專利，但由于需求不足、成本和復雜性增加以及加工技術不發達等原因，直到Corliss才推出。Porter-Allen高速發動機（約1862年）的運行速度是其他類似尺寸發動機的三到五倍。較高的速度xxx限度地減少了氣缸中的冷凝量，從而提高了效率。復合發動機進一步提高了效率。到1870年代，三倍膨脹發動機已在船上使用。復合發動機使船舶運載的煤炭少于貨物。復合發動機在一些機車上使用，但由于其機械復雜性而未被廣泛采用。一種設計精良的蒸汽機車在其鼎盛時期曾用于獲得大約7-8%的效率。最有效的往復式蒸汽機設計（每級）是單流式發動機，但當它出現時，蒸汽正在被柴油發動機取代，柴油發動機效率更高，并且具有煤炭處理和石油需要較少勞動力的優勢，更密集的燃料，更少的貨物。使用1940年代初期收集的統計數據，圣達菲鐵路公司測量了他們的蒸汽機車車隊與他們剛剛投入大量使用的FT機組的效率。他們確定在蒸汽機中使用一噸燃油的成本為5.04美元，平均在整個系統范圍內產生20.37英里的火車里程。柴油成本為11.61美元，但每噸產生133.13英里的火車里程。實際上，柴油機的運行距離是使用成本僅為兩倍的燃料的蒸汽輪機的六倍。這是因為與蒸汽相比，柴油發動機的熱效率要好得多。據推測，用作里程標準的列車是4,000噸貨運，這是當時的正常鞣制l（原文如此）。—JimValle，蒸汽機的效率如何？

蒸汽輪機是效率最高的蒸汽機，因此普遍用于發電。渦輪機中的蒸汽膨脹幾乎是連續的，這使得渦輪機可與非常多的膨脹級相媲美。在臨界點運行的蒸汽發電站的效率在40%范圍內。渦輪機產生直接的旋轉運動，比往復式發動機更緊湊，重量也更輕，并且可以控制在非常恒定的速度內。與燃氣輪機的情況一樣，蒸汽輪機在全功率下工作效率最高，而在較慢的速度下工作效率低下。出于這個原因，盡管蒸汽輪機的功率重量比很高，但它們主要用于可以以恒定速度運行的應用中。

斯特林發動機的理論效率是所有熱機中最高的，但它的輸出功率重量比很低，因此實際尺寸的斯特林發動機往往很大。斯特林發動機的尺寸效應是由于它依賴于溫度升高的氣體膨脹和發動機部件工作溫度的實際限制。對于理想氣體，在給定體積下增加其xxx溫度只會按比例增加其壓力，因此，在斯特林發動機的低壓為大氣壓的情況下，其實際壓差受溫度限制的限制，通常不超過幾大氣壓，使得斯特林發動機的活塞壓力非常低，因此需要相對較大的活塞面積來獲得有用的輸出功率。