Động cơ bốn kỳ (chu trình Otto/Diesel) ra đời cuối thế kỷ XIX: Nikolaus Otto hoàn thiện động cơ đánh lửa bằng bugi năm 1876, còn Rudolf Diesel phát triển phiên bản nén tự cháy cuối thập niên 1890. Từ đó, bốn kỳ trở thành kiến trúc chủ đạo trên ô tô nhờ độ tin cậy, hiệu suất công suất-trọng lượng tốt và khả năng đáp ứng nhiều dải công suất. “Bốn kỳ” gồm: hút – nén – nổ/giãn nở – xả, phối hợp bằng trục cam, xu páp và cơ cấu tay biên-trục khuỷu.

Kỳ hút: piston đi xuống, xu páp nạp mở để không khí (hoặc hòa khí xăng-không khí) đi vào. Kỳ nén: piston đi lên nén hỗn hợp; với động cơ xăng, bugi đánh lửa gần điểm chết trên; với diesel, nhiên liệu phun vào không khí nóng tự bốc cháy. Kỳ nổ/giãn nở: khí cháy đẩy piston tạo mô-men; Kỳ xả: xu páp xả mở, đẩy khí thải ra ngoài. Hệ thống phối khí (cam, VVT/VVL), phun (PFI/DI), tăng áp (turbo/supercharger), làm mát và bôi trơn phối hợp để tối ưu hiệu suất và độ bền.

Xăng (chỉ số octan cao để chống kích nổ) dùng cho máy đánh lửa; diesel (chỉ số cetan cao để dễ tự cháy) dùng cho máy nén tự cháy. Ngoài ra có LPG/CNG, ethanol (E10–E85), biodiesel/HVO (B7–B20+), e-fuels tổng hợp và một số ứng dụng ICE chạy hydro. Phun xăng trực tiếp (GDI) nâng hiệu suất nhưng có thể tăng muội mịn → thường kết hợp lọc hạt GPF; diesel hiện đại dùng common-rail đa điểm phun để giảm ồn và NOx.

Mô-men từ trục khuỷu truyền qua ly hợp/biến mô tới hộp số rồi vi sai. Hộp số sàn (MT) dùng ly hợp ma sát và đồng tốc; số tự động biến mô (AT) có bộ bánh răng hành tinh và khóa biến mô; ly hợp kép (DCT) cho tốc độ sang số rất nhanh; vô cấp (CVT) giữ máy tại vùng tua tối ưu. Hộp số điều khiển điện tử (TCU) phối hợp ECU để chọn số theo tải, tua, ga và chế độ lái; hệ hybrid có e-CVT hoặc hộp số tổ hợp mô-tơ điện để mở rộng dải hiệu suất.

Bộ điều khiển động cơ (ECU) dùng dữ liệu từ cảm biến trục khuỷu/cam, MAF/MAP, nhiệt độ nước, cảm biến oxy/lambda, gõ máy… để tính toán lượng phun, thời điểm đánh lửa/phun, tỷ lệ khí xả hồi lưu (EGR) và điều khiển tăng áp. Các công nghệ như bướm ga điện tử, VVT/VVL, phun đa xung, làm mát khí nạp, stop-start, chế độ Eco/Sport giúp tối ưu công suất, tiêu hao và NVH. Trên xe hiện đại, ECU còn phối hợp với ABS/ESP và hệ truyền động để quản lý lực kéo và bền bỉ hệ thống.

Ưu điểm: công nghệ chín muồi, dễ bảo dưỡng, dải công suất rộng, tiếp nhiên liệu nhanh, mạng lưới dịch vụ sẵn có. Hiệu suất thể tích cao khi kết hợp tăng áp, mô-men tốt trong dải tua sử dụng. Nhược điểm: hiệu suất nhiệt hữu hạn (≈35–40% xăng, 40–45% diesel tốt), phát thải ô nhiễm, cấu trúc phức tạp (nhiều chi tiết chuyển động), cần bảo dưỡng định kỳ; tăng áp có độ trễ, stop-start có thể gây rung nếu hiệu chuẩn kém.

Khí thải chính: CO, HC/NMHC, NOx, PM/PN và CO₂ (chỉ thị mức tiêu thụ). Động cơ xăng duy trì λ≈1 để bộ ba xúc tác (TWC) xử lý CO/HC/NOx; GDI thường lắp thêm GPF. Diesel dùng EGR + xúc tác oxy hóa (DOC) + lọc hạt (DPF) + SCR (dung dịch urea/AdBlue) để cắt NOx và muội. Chuẩn mực phổ biến hiện nay: Euro 6d (ví dụ xe xăng: CO ≤1.0 g/km, NMHC ≤0.068 g/km, NOx ≤0.06 g/km, PM ≤0.0045 g/km; số hạt PN ≤6×10¹¹/km; diesel: CO ≤0.5 g/km, NOx ≤0.08 g/km, PM/PN tương tự). CO₂ tùy xe và chu trình: khoảng ~90–200 g/km cho xe con không hybrid; hệ hybrid/nhỏ hơn thấp hơn. Thực tế còn đánh giá bằng RDE (Real-Driving Emissions) để bảo đảm tính tuân thủ trên đường.