Теплові машини (переважно, парові) з моменту появи відрізнялися великими габаритами і це було обумовлено значною мірою застосуванням зовнішнього згоряння (були потрібні котли, конденсатори, випарники, теплообмінники, тендери, насоси, водяні резервуари тощо). Разом з тим основна (функціональна) частина парової машини (поршень і циліндр) порівняно невелика. Тому думка винахідників весь час поверталася до можливості суміщення палива з робочим тілом двигуна, що дозволило потім значно зменшити габарити інтенсифікувати процеси впуску і випуску робочого тіла. Полегшення двигунів дозволило встановлювати їх на транспорті, зокрема навіть на літак. Сучасні літаки (крім незначної кількості на електродвигунах) комплектуються виключно двигунами внутрішнього згоряння — реактивними, турбореактивними або поршневими.
Прогрес у галузі ДВЗ тісно пов'язаний з відкриттям і застосуванням різних палив, зокрема синтезованих. Оскільки склад робочого тіла (отримуваного під час згоряння паливо-повітряної суміші), теплотворна здатність, швидкість згоряння суміші і параметри циклу (ступінь стиснення) залежать від застосованого палива, воно й визначає значною мірою масо-габаритні показники і потужність таких двигунів. Паливо ДВЗ визначає будову останнього і взагалі можливість його створення. Першим таким паливом став світильний газ.
Перші відомі спроби створення ДВЗ Багато вчених і інженерів зробили внесок у розробку двигунів внутрішнього згоряння. 1791 року Джон Барбер винайшов газову турбіну. 1794 року Томас Мід (Thomas Mead) запатентував газовий двигун. Того ж року Роберт Стріт (Robert Street) запатентував двигун внутрішнього згоряння на рідкому паливі і побудував робочий прототип. 1807 року французький інженер Нісефор Ньєпс запустив експериментальний твердопаливний двигун внутрішнього згоряння, який використовував як паливо подрібнений у порошок . 1807 року французький винахідник побудував перший поршневий двигун, який часто називають . Двигун працював на газоподібному водні, маючи елементи конструкції, які відтоді увійшли в наступні прототипи ДВЗ: поршневу групу й іскрове запалювання. Кривошипно-шатунного механізму в конструкції двигуна ще не було.
Газовий двигун Лебона 1799 року французький інженер відкрив світильний газ і отримав патент на його використання і спосіб отримання сухою перегонкою деревини або вугілля. Це відкриття мало величезне значення, перш за все для розвитку техніки освітлення. Дуже скоро у Франції, а потім і в інших країнах Європи газові лампи стали успішно конкурувати з дорогими свічками. Однак світильний газ годився не тільки для освітлення. Винахідники взялися за конструювання двигунів, здатних замінити парову машину, в яких паливо згоряло б не в топці, а безпосередньо в циліндрі двигуна .
1801 року Лебон взяв патент на конструкцію газового двигуна. Принцип дії цієї машини ґрунтувався на відомій властивості відкритого ним газу: його суміш з повітрям вибухала при запаленні з виділенням великої кількості теплоти. Продукти горіння стрімко розширювалися, створюючи сильний тиск на навколишнє середовище. Створивши відповідні умови, можна використовувати виділювану енергію в інтересах людини. У двигуні Лебона було два компресори і камера змішування. Один компресор мав накачувати в камеру стиснене повітря, а інший — стиснений світильний газ із газогенератора. Газоповітряна суміш надходила потім у робочий циліндр, де запалювалась. Двигун був подвійної дії, тобто робочі камери, що діяли почергово, були розташовані по обидва боки від поршня. По суті, Лебон виношував думку про двигун внутрішнього згоряння, однак 1804 року він був убитий, не встигнувши втілити в життя свій винахід.
Двигун Ленуара
У наступні роки кілька винахідників з різних країн намагалися створити працездатний двигун на світильному газі. Однак всі ці спроби не привели до появи на ринку двигунів, які могли б успішно конкурувати з паровою машиною. Честь створення комерційно успішного двигуна внутрішнього згоряння належить бельгійському механіку Жану Етьєну Ленуару. Працюючи на гальванічному заводі, Ленуар прийшов до думки, що паливоповітряну суміш у газовому двигуні можна запалювати за допомогою електричної іскри, і вирішив побудувати двигун на основі цієї ідеї. Потужність першого практично придатного двотактного газового ДВЗ, сконструйованого Ленуаром 1860 року, становила 8,8 кВт (). Двигун був одноциліндровою горизонтальною машиною подвійної дії, яка працювала на суміші повітря і світильного газу з електричним іскровим запалюванням від стороннього джерела і золотниковим газорозподілом. У конструкції двигуна з'явився кривошипно-шатунний механізм. ККД двигуна не перевищував . Незважаючи на недоліки, двигун Ленуара набув деякого поширення. Використовувався як човновий двигун.
Ленуар не відразу домігся успіху. Після того як вдалося виготовити всі деталі і зібрати машину, вона пропрацювала зовсім небагато і зупинилася, оскільки через нагрівання поршень розширився і заклинив у циліндрі. Ленуар удосконалив свій двигун, продумавши систему водяного охолодження. Однак друга спроба запуску також закінчилася невдачею через заїдання поршня. Ленуар доповнив свою конструкцію системою змащення, тільки тоді двигун почав працювати. Таким чином, саме Ленуар вперше вирішив проблеми мащення і охолодження ДВЗ.
До 1864 року було випущено вже понад 300 таких двигунів різної потужності. Розбагатівши, Ленуар перестав працювати над удосконаленням своєї машини, тому її витіснив з ринку більш досконалий двигун, створений німецьким винахідником Ніколаусом Отто.
Двигун Отто Ознайомившись із двигуном Ленуара, восени 1860 року видатний німецький конструктор Ніколаус Август Отто з братом побудували копію газового двигуна Ленуара і в січні 1861 року подали заявку на патент на двигун з рідким паливом на основі газового двигуна Ленуара в Міністерство комерції Пруссії, але заявку відхилили. 1863 року створив двотактний атмосферний двигун внутрішнього згоряння. Двигун мав вертикальне розташування циліндра, запалювання відкритим полум'ям і ККД до . Витіснив двигун Ленуара.
1864 року він отримав патент на свою модель газового двигуна і того ж року уклав з багатим інженером договір щодо експлуатації цього винаходу. Незабаром було створено фірму «Отто і Компанія». 1876 року Ніколаус Август Отто побудував досконаліший чотиритактний газовий двигун внутрішнього згоряння.
На перший погляд, був кроком назад, порівняно з двигуном Ленуара. Циліндр був вертикальним. Обертовий вал містився над циліндром збоку. Уздовж осі поршня до нього була прикріплена рейка, пов'язана з валом. Двигун працював таким чином. Обертовий вал піднімав поршень на 1/10 висоти циліндра, внаслідок чого під поршнем утворювалося розрідження і відбувалося всмоктування суміші повітря і газу. Потім суміш запалювалась. Ні Отто, ні Ланген не мали достатніх знань у галузі електротехніки і відмовилися від електричного запалювання. Займання вони здійснювали відкритим полум'ям через трубку. Під час вибуху тиск під поршнем зростав приблизно до . Під дією цього тиску поршень піднімався, об'єм газу збільшувався і тиск падав. При підніманні поршня спеціальний механізм від'єднував рейку від вала. Поршень спочатку під тиском газу, а потім за інерцією піднімався до тих пір, поки під ним не створювалося розрідження. Таким чином, енергія згорілого палива використовувалася в двигуні найповніше. У цьому полягала головна знахідка Отто. Робочий хід поршня вниз починався під дією атмосферного тиску, і після того, як тиск у циліндрі досягав атмосферного, відкривався випускний вентиль, і поршень своєю масою витісняв відпрацьовані гази. Через більш повне розширення продуктів згоряння ККД цього двигуна був значно вищим, ніж ККД двигуна Ленуара і досягав 15 %, тобто перевершував ККД найкращих парових машин того часу .
Оскільки двигуни Отто були майже в п'ять разів економічнішими від двигунів Ленуара, вони зразу набули попиту. В наступні роки їх було випущено близько п'яти тисяч. Отто наполегливо працював над удосконаленням конструкції. Незабаром зубчасту рейку замінила кривошипно-шатунна передача. Але найістотніший з його винаходів зроблено 1877 року, коли Отто отримав патент на новий двигун з чотиритактним циклом. Цей цикл донині лежить в основі роботи більшості газових і бензинових двигунів. Наступного року нові двигуни запущено у виробництво.
Чотиритактний цикл був найбільшим технічним досягненням Отто. Але незабаром виявилося, що за кілька років до його винаходу такий самий принцип роботи двигуна описав французький інженер Бо де Роша. Група французьких промисловців оскаржила в суді патент Отто. Суд визнав їх доводи переконливими. Права Отто, що випливали з його патенту, значно скоротили, зокрема анулювали монопольне право на чотиритактний цикл.
Хоча конкуренти налагодили випуск чотиритактних двигунів, відпрацьована багаторічним виробництвом модель Отто все ж була кращою, і попит на неї не припинявся. До 1897 року було випущено близько таких двигунів різної потужності. Однак те, що паливом був світильний газ, дуже звужувало сферу застосування перших двигунів внутрішнього згоряння (неможливість застосування на транспорті з огляду на громіздкість балонів і труднощі заправки). Кількість світильногазових заводів була незначною.
Тому не припинялися пошуки нового пального для ДВЗ. Деякі винахідники намагалися застосувати як газ пару рідкого палива. Ще 1872 американець Брайтон намагався використати для цього гас. Однак гас погано випаровувався, і Брайтон перейшов до легшого нафтопродукту — бензину. Але для того, щоб двигун на рідкому паливі міг успішно конкурувати з газовим, необхідно було створити спеціальний пристрій для випаровування бензину і отримання горючої суміші його з повітрям. Брайтон того ж 1872 року придумав один з перших так званих «випарних» карбюраторів, але він діяв незадовільно.
Бензиновий двигун Працездатний бензиновий двигун з'явився лише через 10 років. Винахідником його був німецький інженер Готтліб Даймлер. Багато років він працював у фірмі Отто і був членом її правління. На початку 1880-х років він запропонував шефу проєкт компактного бензинового двигуна, який можна було б використовувати на транспорті. Отто поставився до пропозиції Даймлера холодно. Тоді Г. Даймлер разом з другом Вільгельмом Майбахом прийняв сміливе рішення: 1882 року вони пішли з фірми Отто, придбали невелику майстерню поблизу Штутгарта і почали працювати над своїм проєктом.
Проблема, що стояла перед Даймлером і Майбахом, була не з легких: вони вирішили створити двигун, який не вимагав би газогенератора, був би дуже легким і компактним, але при цьому достатньо потужним, щоб рухати екіпаж. Збільшення потужності Даймлер розраховував отримати за рахунок збільшення частоти обертання валу, але для цього необхідно було забезпечити необхідну частоту запалення суміші. 1883 року створено перший жаровий бензиновий двигун з запалюванням від розпеченої трубочки, що вставляється в циліндр. Перша модель бензинового двигуна призначалася для промислової стаціонарної установки.