为满足严格的排放、油耗法规及市场需求，在内燃机上应用新型机构、系统或控制技术，从而改善内燃机的动力性、经济性和排放等性能。

1876年，N.A.奥托开发了首台四冲程内燃机（奥托循环），通过在燃烧前压缩燃料和空气混合物的方式，取得了同时代较高的内燃机热效率。随后1879年，K.奔驰申请了二冲程内燃机专利。直至1886年，奔驰将内燃机首次应用在量产车辆上。1892年，R.狄塞尔开发了首台压燃式内燃机。此后，为了不断提升内燃机的各项性能，以满足多方面的需求，各种新技术不断出现。

内燃机按点火形式可以分为点燃式和压燃式。对于点燃式内燃机，在19世纪80年代，主要采用热管点火，但由于点火正时不能调节且热管寿命不长，进入20世纪前便停止了使用。随后出现了火花点火方式，最初的火花点火系统是基于磁电机系统实现点火。1910年，凯迪拉克公司采用了C.F.凯特林发明的分电器点火系统，但随着蓄电池和起动电机的发展，磁电机点火逐步被淘汰。点火系统已经由无触点集成电路逐步发展到微机控制的电子点火系统，使得汽油机点火时刻始终能够处于最佳状态。

为了充分提升内燃机的热效率和输出功率，20世纪50年代汽车厂商开始开发内燃机进气增压技术。1962年，雪佛兰展示了首台搭载了增压内燃机的汽车。随后内燃机增压技术逐渐在汽车中得到广泛应用，并催生了增压中冷、可变截面涡轮等新兴技术。此外，为了改善内燃机的换气过程，在不同工况下实现较高的充气效率，以及改善怠速及小负荷下的内燃机排放，可变配气机构技术应运而生，其中最为常用的为可变气门正时技术。虽然早在20世纪20年代已经开始出现可变气门正时相关的专利，但直至1980年阿尔法·罗密欧才首次在量产车型中应用，随后本田、保时捷等公司也相继研发可变正时系统以追求更高的内燃机工作性能。

20世纪80年代初，随着电子控制技术的兴起，内燃机技术也随之产生了巨大的变化，不仅可变气门正时系统由传统的机械式系统转变为电子控制系统，内燃机的喷油方式也产生了巨大变化。早期汽油机通过化油器（单点）实现汽油供给，随着电子控制技术的发展，开始普遍采用（多点）进气道喷射技术。20世纪90年代中期，汽油机缸内直喷技术得到了商业化应用。1996年，三菱汽车在市场上首推直喷分层燃烧的汽油机和汽车产品，开启了现代汽油机直接喷射技术的时代。同时期，日本电装结合先进的发动机电控单元控制技术首次将高压共轨技术应用于量产车型，有效提升了柴油雾化效果，改善了柴油内燃机的燃烧和排放性能，随后被广泛应用于柴油车型中。

大部分技术的基础理论在20世纪已经比较成熟；电子信息及控制技术已经广泛融入内燃机技术中；新材料、新工艺技术的发展为各种内燃机新技术的出现提供了技术保障；车载计算能力的提升，为内燃机新技术在民用市场的普及提供了有力支持。

传统汽油机和柴油机的火花点燃式和压燃式着火燃烧方式因其各自的缺点制约了内燃机热效率的进一步提升，21世纪以来涌现了许多将汽油机和柴油机优点集成于一体的新型燃烧技术，如汽油压燃技术、反应活性控制压燃技术、汽油/柴油双燃料高预混合低温燃烧技术、均质充量压燃技术、适度和较高分层的压燃技术等均具有类似特征，并且这些新型燃烧技术均具有提高内燃机热效率、降低排放的潜力。2017年，马自达发布的新一代创驰蓝天发动机，首次在量产机型上应用了均质压燃技术，其通过火花控制压燃技术，成功实现了火花塞点火和压燃点火间的无缝切换，让压燃点火能够得到完全控制。基于此技术，马自达发动机热效率理论上可达50%，还可实现低速大扭矩输出，对比2008年马自达同排量的汽油发动机，油耗改善率提升35%～45%，低负荷油耗大幅度降低。

内燃机的使用工况是复杂多变的，而其自身特性决定了其高效率区只能集中于某一特定区域。可变气门正时、可变气门升程、可变进排气系统、可变压缩比、可变排量、停缸技术等各种可变控制技术发展迅速，使内燃机能够适应不同工况对某些结构或运行参数的不同要求，加速了内燃机的智能化。

上述技术的运用还可达到突破传统内燃机热力学限制的目的，如阿特金森循环概念的提出之初是通过复杂的连杆结构实现膨胀比大于压缩比，而机械结构的复杂度导致其在体积（或空间）上和可靠性方面都不如传统奥托循环内燃机，所以在汽车上未能普及。但可变气门正时技术的出现使在同一台内燃机上实现阿特金森循环与奥托循环自动切换成为可能，即实现了可变热力循环，进而同时利用两种热力循环的优势，改善内燃机的动力性、经济性和排放。

对内燃机能量平衡进行分析，进而合理管理各部分的能量损失，提高内燃机的能量利用效率。首先是混合动力技术，其采用电动机作为内燃机的辅助动力驱动车辆行驶，通过将内燃机与车辆实现一定程度的解耦，达到重新定义内燃机能量平衡的目的。同时通过引入电机也可以比较容易实现怠速启停技术，这就可以消除车辆怠速时内燃机广为诟病的低效率、高污染的怠速工况。其次使用电子水泵和电子节温器的主动热管理系统可以实现对内燃机系统热量的精确管理，在保证各部件可靠性的前提下尽可能减少冷却散热损失。此外，各种低摩擦技术层出不穷，附件电气化程度也越来越高，这些技术均可大幅降低传统内燃机的机械损失，提高内燃机的机械效率。

由于节能和环保的压力，内燃机的小型强化和轻量化已成为车用内燃机节能减排的主要技术路线之一。为了避免内燃机工作在小负荷下的低效区域，车用内燃机正通过减小排量来提高其使用负荷；但排量减小后内燃机的做功能力也会减小，故采用增压、提高内燃机进气密度的方式来强化内燃机的功率和扭矩密度。废气涡轮增压技术已经在内燃机上广泛应用，但其存在瞬态响应慢、低速增压压力不足等缺点，故双涡轮增压技术、涡轮-机械复合增压技术和电动增压技术应运而生。另一方面，车用发动机的重量对整车油耗也有显著影响，合金技术的发展使得厂商可以不断增加铝合金在内燃机上的应用比例，实现轻量化升级而达到节能减排的目的。

缸内喷水、提高汽油机的辛烷值等改善抗爆性的方法是提高汽油机热效率的重要技术途径。积极开发并应用生物质可再生燃料，是内燃机实现可持续发展的必由之路。