자동차에 사용되는 엔진은 내연기관이며, 이것은 작동방식에 따라 세 가지로 구분된다.

첫째는 2행정사이클기관이다. 이것은 크랭크축의 1회전마다 폭발이 일어나서 비교적 출력이 크고 회전이 원활하기는 하나, 저속회전에서는 배기·흡기가 완전히 행해지지 않아 회전이 불안정하고 비교적 경제성이 낮은 점 등의 문제가 있다. 더욱이 대형 기관에는 맞지 않기 때문에 오늘날 승용차에는 거의 사용되지 않는다. 그러나 2륜차에는 아직도 상당히 사용되며, 대형 디젤엔진에서도 2행정사이클기관을 사용하고 있다.

둘째는 4행정사이클기관이다. 이것은 자동차용으로 가장 일반적인 것으로, 2회전마다 1회의 폭발이 일어나기 때문에 회전력의 균일을 기하고, 진동방지를 위해 2, 4, 6, 8, 12기통 등과 같이 실린더수를 늘려야 하나, 저속회전이 비교적 안정되고, 또 연료 경제면에서 2행정사이클기관보다 유리하다. 특히 소형차에서는 크기와 가격 때문에 2기통으로 하나, 배기량 2,000cc 정도까지의 소형차에서는 4기통, 4,000cc 정도까지의 중형차에서는 6기통, 그 이상의 대형차에서는 8기통을 사용하고 있다. 일부의 고성능 스포츠카나 경주용 자동차에서는 3,000cc 정도에서 12기통으로 한 것도 있다.

4기통이나 6기통에는 실린더를 1열로 세운 직렬형(直列型)이 많으며, 각 기통의 점화순서에 의해서 평형을 이루도록 되어 있다. 8기통인 경우 직렬로 하면 기관 자체가 길어져서 크랭크축의 강성(剛性)이 약해지고 객실의 공간도 좁아지기 때문에 4기통씩 V자로 대치시키고 하나의 크랭크축을 사용하는 V형 8기통 즉 V8이 압도적으로 많다.

이밖에 2기통 이상의 기관에서 반 수씩을 수평으로 대치시킨 수평대향형(水平對向型)도 있다. 기관은 적합한 시기에 혼합기를 흡입하고 적합한 시기에 연소가스를 배출하는 밸브 장치를 필요로 한다. 밸브는 실린더 헤드에 있는 연소실(燃燒室)에 설치되어 있으며, 크랭크축의 1/2의 속도로 회전하는 캠축에 의해서 열리고 스프링의 힘으로 닫힌다.

보통의 기관에서는 캠축을 실린더 블록 옆면의 낮은 쪽에 두고 긴 푸시 로드(push rod)로 로커 암(rocker arm)을 밀어서 밸브를 연다. 이 방식을 오버헤드 밸브식(overhead valve type:OHV)이라 한다. 이 방식은 기관이 고속회전을 하게 되면 푸시 로드의 관성 때문에 밸브의 개폐가 불확실하게 되어 매분 6000회전 이상은 무리이고, 배기량 1ℓ당 70hp 이상을 얻기도 어렵다.

따라서 캠축을 실린더 헤드에 설치하고 직접 캠축으로 밸브를 개폐하게 하는 것이 있는데, 이것을 오버헤드 캠축식(overhead camshaft type:OHC)이라고 한다. 오버헤드 캠축식은 구조가 복잡하여 가격이 비싸지고 정비하기도 어려우나, 기관의 회전속도를 올릴 수 있고 1ℓ당의 출력도 높일 수 있어 많이 사용되고 있다.

셋째는 로터리엔진(rotary engine)이다. 이것은 회전만으로 출력을 낼 수 있는 기관이며, 1951년경 독일의 F.방켈에 의해 원리가 완성했다. 독일의 NSU 회사가 1960년경 공업화에 성공, 1963년부터 소형 스포츠카에 탑재하여 판매하였다. 그후 세계의 여러 제조회사가 NSU 방켈의 특허권하에 연구를 계속하고 있으며, 일본 마즈다 자동차 등이 자동차에 탑재하였다.

그 원리는 누에고치 모양의 실린더 안을 피스톤에 상당하는 삼각형 로터(rotor)가 편심(偏心)되어 회전하며, 로터와 실린더 사이에 생기는 공간의 부피 변화에 따라서 흡입·압축·연소·배기하게 된다. 따라서 왕복운동 부분이 없어 출력의 손실이 적고, 1ℓ당 100∼120 hp의 출력도 무리없이 낼 수 있으며, 회전이 원활하다.

또, 1기통으로도 사용할 수 있다. 흡·배기는 2행정사이클기관처럼 실린더 벽에 뚫은 구멍으로 하기 때문에 4행정사이클기관과 같은 복잡한 밸브기구(機構)가 필요하지 않고, 구조도 간단하고 부품수도 적어 고장이 날 가능성이 적다.

내연기관은 그 사용연료에 따라 가솔린엔진·디젤엔진으로 나누어지며, 2행정사이클 기관과 4행정사이클 기관이 있다. 승용차는 고성능이고 소음과 진동이 적은 가솔린엔진을 주로 사용하며, 트럭이나 버스에서는 디젤엔진을 주로 사용한다. 단, 승용차에서도 독일의 메르체데스 벤츠가 1936년부터 디젤엔진을 사용하고 있다. 저공해, 에너지 절약의 면에서 디젤 승용차의 보급이 진행되고 있으나, 승용차로서의 몇 가지 문제점은 있다.

LPG엔진은 기화기(氣化器)의 일부가 다를 뿐 다른 것은 근본적으로 가솔린엔진과 마찬가지이다. 기화기는 분무(噴霧)의 원리를 이용하여 가솔린을 안개화[霧化]하여 혼합기를 만드는 것이지만, 이 기화기 대신 펌프로 가솔린을 실린더의 흡입구 쪽으로 압송, 안개 모양으로 분사하는 연료분사방식을 사용하는 것도 있다. 출력이 약간 증가되고 저속회전 범위에서도 안정하며, 배출가스 대책면에서도 유리하여 점차 많이 사용되고 있다. 기화기와 연료분사의 어느 것이든 흡입관의 일부에 스로틀 밸브(throttle valve)가 있어 운전석의 가속 페달과 연동하며, 가속 페달을 밟으면 밸브가 열려서 공기의 유량(流量)이 증가하여 회전속도와 출력이 모두 증가한다.

발화점(發火點)이 높은 가솔린의 혼합기는 일일이 점화하지 않으면 연소하지 않으므로 연소실에 점화 플러그를 둔다. 점화 플러그는 약 0.5mm의 간극을 둔 2개의 전극 사이에 1만V 정도의 고압 전류로 불꽃이 튀게 하는 것이며, 고압전류는 축전지의 12V(드물게는 6V)의 전류로부터 유도코일에 의해 발생되어 배전기(配電器)를 통하여 적합한 순서로 각 실린더의 점화 플러그에 전달된다.

디젤엔진은 고압·고온의 공기 속에 경유(輕油)를 분사하면 자연착화되는 성질을 이용한 것이며, 따라서 분사 펌프와 분사 노즐은 필요하나, 기화기나 점화장치는 필요하지 않다. 또 공기를 보다 더 압축해야 하기 때문에 기관 자체도 견고하게 제조된다. 이에 따라 중량이 커지고 고가(高價)이며, 자연착화 때문에 소음과 진동도 커진다. 배기량 1ℓ당의 출력도 20∼25hp(2행정사이클 기관에서도 35hp 전후)으로 낮다. 그러나 디젤엔진은 연료소비율이 낮고 가솔린보다 경유의 값이 싸기 때문에 매우 경제적이다. 또 저속에서의 토크(torque)가 크므로 대형 자동차에 적합하다.

배출가스 속의 유해(有害) 가스량도 가솔린의 경우보다 적다. 가솔린·디젤 따위의 모든 엔진에는 냉각과 윤활(潤滑)이 필요하다. 엔진은 실린더 내에서 연소를 일으키고 마찰열도 높기 때문에 외부에서 냉각해야 한다. 냉각장치에서 가장 간단한 것으로는 실린더 바깥쪽에 다수의 냉각핀(cooling fin)을 두고 외기(外氣)로 냉각하는 자연공랭식과, 송풍기로 냉각공기를 보내어 냉각하는 강제공랭식이 있다. 그러나 이것은 소음이 많다는 이유 등으로 경자동차 및 소형자동차의 일부와 2륜차 등에만 사용된다. 일반적인 것은 수랭식(水冷式)이며, 실린더 주위에 물재킷(water jacket)을 두고 물펌프에 의해 순환되는 냉각수로 냉각시킨다. 열을 받은 냉각수는 가는 파이프와 핀으로 된 라디에이터 속을 통과할 때 외기에 의해 냉각되어 다시 기관에 압송된다.

작동 중에 냉각수는 수온조절기(서모스탯)에 의해 항상 80℃ 전후로 유지된다. 미리 부동액(不凍液)을 넣고 밀폐된 라디에이터를 사용하는 것도 있다. 기관은 실린더와 피스톤을 비롯하여 마찰부분이 많으며, 이러한 곳의 마멸이나 과열을 방지하기 위하여 윤활유를 펌프로 압송하여 각 마찰부분에 보낸다. 윤활유는 점차 소비되므로 정기적으로 보급하고, 일정 기간을 두고 전부를 갈아넣어야 한다.

기관은 처음에 다른 힘으로 회전시켜야 시동되므로 축전지로부터의 전력으로 회전되는 시동전동기(始動電動機)를 둔다. 운전석의 점화 스위치를 ON으로 하고 다시 더 돌리면 시동전동기가 작동되고, 기관이 시동되면 자동적으로 기어 물림이 빠져 분리된다. 자동차의 축전지는 점화장치·시동장치·각종 등화·라디오·라이터 등의 각종 자동장치에 전력(電力)을 공급하므로 전력의 소비가 많다. 때문에 기관에 의해 구동되는 발전기(發電機)를 두고 주행 중에 충전하도록 한다.

저속회전에서도 충전효과가 큰 교류발전기도 많이 사용된다. 기관의 성능을 표시하는 방식에는 마력(hp)과 토크(kgm)가 있다. 마력은 그 기관이 할 수 있는 일의 능률을 나타내고, 토크는 절대적인 회전력을 나타낸다. 따라서 마력은 자동차의 속도를 좌우하고, 토크는 가속력이나 등판능력과 관계가 있다. 마력이 커도 토크가 작으면 기관의 융통성이 낮고 끈질기지 못하기 때문에 혼잡한 시가지 등에서 사용하기가 어렵다. 보통의 자동차에서는 출력이나 토크가 모두 낮은 회전속도 범위에서 큰 쪽이 사용되기 때문에 최고출력·최대토크 모두 그것이 발생되는 회전속도(매분 회전수:rpm)를 병기한다.