全球對汽車的需求正在上升。對溫室氣體排放的擔憂也在上升。為了應對這種情況，科學家和工程師正在努力改進未來汽車的新型動力裝置，包括電池和氫燃料電池電動汽車。儘管這些和其他替代方案在長期來看前景廣闊，但近期內減少化石燃料消耗的最有效方法或許是進一步改進當今占主導地位的交通工具動力裝置：汽油內燃機（IC 發動機）。
幸運的是，可以透過多種方式提高效率，特別是更好地控制進入燃燒室的空氣-燃料混合物、汽油在那裡的點火方式以及利用該能量的機械系統。這些可以改進傳統汽車以及汽油-電動混合動力車型。
2008 年下半年燃料價格的迅速上漲開始引導許多消費者轉向燃油效率最高的汽車，但最近的價格下跌損害了對它們的需求。然而，即將生效的嚴格的新燃油經濟性和溫室氣體排放法規應扭轉這一趨勢，並推動未來新車引擎蓋下的技術取得更重大的進步。
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現代內燃機為世界上絕大多數汽車、卡車、摩托車和摩托艇提供動力。它最大的優點是使用了燃料——汽油——這種燃料仍然相對豐富、廉價且能量密度高。它最大的缺點是效率不高。當今批次生產的汽車中最有效的汽油火花點火發動機僅將燃料化學能的 20% 到 25% 轉化為功。現代柴油或汽油-電動混合動力動力總成可以達到 25% 到 35%，但成本要高得多。相比之下，氫燃料電池電動汽車（例如本田的 FCX Clarity，目前限量生產）將氣態氫氣中約 60% 的能量轉化為動力。
儘管內燃機被認為是老舊過時的技術，但它仍在不斷改進。美國環境保護署最近的一項研究表明，從 1987 年到 2006 年，美國汽車發動機的燃油效率每年大約提高 1.4%。這些增長來自燃燒（熱）效率的逐步提高、發動機和動力傳動系統摩擦的減少、更先進的變速器以及輔助系統損耗的減少。然而，這些收益中的大多數並未幫助駕駛員減少汽油消耗。相反，它們被用於滿足市場對更大、更強大和裝置更齊全的車輛的需求。
新規促使效益提升
即將出臺的法規將有助於確保未來動力總成效率的提高主要用於實際的燃油經濟性。美國環保署正在最終確定針對汽車的嚴格的新溫室氣體標準，交通部正在完成更嚴格的企業平均燃油經濟性（CAFE）標準。各機構必須在 4 月 1 日之前釋出最終裁決，其中包含這兩套要求。在指導交通部時，國會授權在 2011 年至 2030 年間“最大限度地可行地”提高美國汽車和輕型卡車車隊的平均燃油經濟性。根據目前的提案，標準的第一階段將從 2012 年到 2016 年，每年將大多數汽車、SUV、皮卡和小型貨車的燃油經濟性提高 4.4%，許多汽車將達到每加侖約 35.5 英里。跡象表明，到 2020 年甚至 2030 年，這一標準將繼續被積極提高。
這些規則還將改變溫室氣體和燃油經濟性目標的計算方式，這將影響汽車製造商的應對方式。新的燃油經濟性目標將不再像當前的標準那樣，為汽車製造商在美國車隊中的所有汽車或所有輕型卡車設定單一標準，而是將基於車輛的佔地面積——車輛四個車輪定義的矩形區域。每家制造商還將根據其汽車和輕型卡車車隊綜合銷售加權平均佔地面積設定一個獨特的目標。
這種方法意味著汽車公司將不再發現建造
更多小型汽車有任何優勢，因為由此產生的車輛組合只需滿足更高的燃油經濟性和更低的二氧化碳排放目標。對於車隊中包含較高比例的較大汽車和輕型卡車的汽車製造商來說，也不會有任何真正的劣勢。新標準的目標不是鼓勵或阻止任何型別車輛的生產或購買，而是使每種型別都儘可能地提高燃油效率，在監管機構認為在經濟上可行和技術上可行的範圍內。
多途徑減少損耗
新法規給汽車製造商帶來了一個嚴峻的挑戰：如何在非常短的時間內，在繼續滿足消費者對效能、安全性、實用性和舒適性的需求的同時，最好地投資有限的工程資源來大幅提高內燃機的效率。
最引人注目的選擇是減少主要的能量損失來源。燃燒汽油中約 60% 的能量以熱量形式損失——其中大約一半透過發動機損失，一半透過排氣損失。另外 15% 到 25% 的能量損失在發動機摩擦和發動機怠速或汽車減速時消耗的燃料中——此時沒有完成任何有用的功。發動機摩擦包括所謂的泵氣損失，這是由將空氣透過部分關閉的節氣門閥門拉入氣缸以與燃料燃燒的過程造成的。
剩餘的能量是發動機輸出。其中一半到三分之二（佔汽油總能量的 10% 到 15%）用於克服車輛的牽引障礙：慣性（反映汽車的重量）、空氣動力阻力和滾動阻力（輪胎與路面之間的摩擦）。其餘部分（佔總能量的 5% 到 10%）由動力傳動系統（變速器和通往車軸的驅動軸）以及諸如動力轉向、空調和為這些裝置產生電力的交流發電機等附件消耗。
可以在所有這些領域提高效率，即使是微小的進步也能產生可觀的效益。例如，牽引損失減少 1% 轉化為燃油經濟性提高 4% 到 5%。挑戰在於實施一套以最低成本提供最高效率增益的技術。由於每家汽車製造商都有獨特的車隊以及特定的技術優勢和劣勢，因此每家公司可能會選擇不同的改進組合。
詳盡列出所有進步超出了本文的範圍。例如，減少發動機摩擦涉及材料、運動部件的幾何形狀、潤滑劑和零件設計；數十項細微的改動可以結合起來，將效率提高几個百分點。儘管如此，大多數汽車工程師可能會同意在未來十年內非常有前景且廣泛適用的一些方法。
超級發動機
當我們展望更遠的未來時，內燃機效率的進一步提高將主要依賴於系統最佳化。硬體和軟體的組合幾乎是無限的。未來的一種“超級發動機”將採用此處描述的幾項先進技術：汽油直噴、具有無凸輪軸活塞閥的連續可變正時、混合動力電機和渦輪增壓器（透過利用流經排氣系統的廢氣來提高功率）。
在這個假設的系統中，僅電池就足以在低速和低負荷下為駕駛提供動力。當發動機啟動時，為了最大限度地提高效率，它會在各種模式或工作迴圈之間切換，這些模式或工作迴圈是內燃機常見的，例如阿特金森迴圈和奧托迴圈（傳統發動機只能在一種模式下執行）。混合動力電機和渦輪增壓器將在加速期間提供瞬時動力。排氣——一種免費的能源——將被利用來發電，為電池充電。
對於以這種方式最佳化的汽車，發動機的尺寸可能是當前發動機尺寸的二分之一到三分之一，從而減少摩擦損失並減輕重量。這樣的系統將提供主要的效率優勢，但它也將非常複雜且成本高昂。一項重要的任務是實施軟體，該軟體可以確定每種速度和負載條件下的最佳執行策略，並在發動機在模式之間切換時控制發動機。
從長遠來看，並且面對石油供應不可避免的下降，世界需要儘可能多的汽油實用替代品，這需要科學和工程技術能夠做到。但是，先進車輛的吸引力不應阻礙行業現在可以而且應該在提高內燃機效率方面取得的進展。沒有單一的技術或能源可以滿足世界不斷增長的交通能源需求。但是，內燃機效率的大幅提高，以及混合動力技術的更廣泛應用，將有助於平穩地實現從石油到更多可再生燃料選擇的過渡。在這種背景下，汽油內燃機不應被視為進步的敵人，而應被視為減少溫室氣體排放並帶來更清潔、更可持續未來的戰鬥中的武器。