Горючою сумішшю називається суміш парів палива з повітрям у певній пропорції. Горюча суміш, яка надходить в циліндри двигуна, змішується з відпрацьованими газами і утворює робочу суміш.

Склад горючої суміші характеризується певним співвідношенням мас палива і повітря: для повного згоряння 1 кг бензину в циліндрах двигуна потрібно 14,7 кг повітря. Дійсна кількість повітря, що приймає участь в утворенні горючої суміші, може бути як більшою, так і меншою за вказану величину. Тому склад горючої суміші прийнято характеризувати коефіціентом надлишку повітря (λ), який являє собою відношення наявної (дійсної) кількості повітря, що приймає участь у згорянні палива (Gд), до теоретично необхідної кількості (Gт).

λ = Gд / Gт

При λ = 1 маса повітря, що подається в циліндри, дорівнює теоретично необхідній. Така суміш називається нормальною, або стехіометричною.

При λ < 1 (тобто на 1 кг бензину повітря менше 14,7 кг) є дифіцит повітря (надлишок палива) — така суміш називається багатою. При λ < 0,4 горюча суміш не займається внаслідок нестачі повітря.

Якщо λ > 1 (тобто на 1 кг бензину повітря більше 14,7 кг) є надлишок повітря (дифіцит палива) — така суміш називається бідною. При λ > 1,4 горюча суміш не займається внаслідок нестачі палива (залежить від конструкції двигуна та застосованої системи сумішоутворення). 

Коефіцієнт надлишку повітря λ для стехіометричної суміші завжди дорівнює одиниці. Але на різних режимах роботи двигунів внутрішнього згоряння здебільшого цей коефіцієнт відрізняється від 1. На графіку показано залежності потужності та економічності двигуна з іскровим запалюванням від λ та співвідношення повітря / паливо для бензину при деяких значеннях λ.

Надійне запалювання робочої суміші відбувається, коли коефіціент надлишку повітря знаходиться в діапазоні λ ≈ 0,75...1,3. Проте, при відповідних параметрах потоку навколо електродів свічки запалювання можуть запалюватись і бідні суміші з λ ≤ 1,7.

Після запалювання утворюється фронт полум'я, швидкість розповсюдження якого збільшується з підвищенням тиску згоряння і знижується в кінці фази згоряння. В середньому швидкість розповсюдження полум'я складає 15...25 м/с.

Швидкість розповсюдження полум'я — це результат суми швидкості подачі робочої суміші та швидкості її згоряння, яка, в свою чергу, залежить від коефіціенту надлишку повітря λ. Швидкість згоряння досягає свого максимуму при трохи збагаченій суміші з  λ ≈ 0,8...0,9. Підвищена швидкість згоряння забезпечує ефективну роботу двигуна при повному навантаженні та високих обертах колінчатого валу і при різких прискореннях автомобіля.

Високий термодинамічний ККД (відповідно - мінімальна витрата палива) досягається при високих температурах згоряння, які досягаються при трохи збідненій суміші з  λ ≈ 1,05...1,1, тому дана суміш використовується на режимах середніх навантажень. Однак високі температури згоряння при збідненій суміші призводять до підвищеного утворення оксидів азоту NOx.

При пуску холодного двигуна робоча суміш, що надходить в циліндри, збіднюється. Це відбувається внаслідок недостатнього перемішування всмоктуваного повітря з паливом, низькою випаровуваністю палива на ще холодних стінках впускного трубопроводу та циліндра. Для компенсації цього ефекту в робочу суміш під час пуску холодного двигуна додається додаткова кількість палива. До тих пір доки двигун не прогрівся, суміш необхідно збагачувати і після запуску.

Під час руху накатом (режим примусового холостого ходу) подача палива припиняється — завдяки цьому економиться паливо.

Окрім складу горюча суміш характеризується розподіленням у камері згоряння — гомогенним і пошаровим.

У карбюраторних двигунах та двигунах з впорскуванням палива у впускний колектор робоча суміш рівномірно (гомогенно) розподілена по всій камері згоряння з одним і тим самим коефіціентом надлишку повітря λ. Гомогенний розподіл суміші характерний і для двигунів з безпосереднім впорскуванням палива під часїх роботи на певних режимах.

Проте робоча суміш з λ = 1 може розташовуватись тільки навколо електродів свічки запалювання, а решта простору камери згоряння заповнена негорючим газом без домішки палива або дуже бідною сумішшю. Таке утворення суміші, коли горючий об'єм займає тільки частину камери згоряння, називається пошаровим зарядом. При такому способі утворення робоча суміш, якщо розглядати всю камеру згоряння, єдуже бідною (λ ≈ 10). Експлуатація двигуна в такому режимі дозволяє досягнути низької витрати палива.

Використання пошарового розподілу суміші ефективне тільки при використанні безпосереднього впорскування палива, так як паливо в камеру згоряння необхідно впорскувати безпосередньо перед моментом запалювання.

В результаті озгоряння палива під час робочого ходу утворюються вихлопні (відпрацьовані) гази. Вихлопні гази містять певну кількість (залежно від палива, типу двигуна та його технічного стану) токсичних і шкідливих компонентів. Викиди вихлопних газів — основна причина перевищення гранично допустимих концентрацій токсичних речовин і канцерогенів в атмосфері великих міст, утворення смогів, які є частою причиною отруєння в замкненому просторі. Кількість забруднювальних речовин, що виділяються в атмосферу з вихлопними газами, визначається складом та об'ємами їх викидів.

Теоретично, при згорянні вуглеводневого палива виділяється кінцевий продукт у вигляді води (із водню) та двоокису вуглецю (з вуглецю) та азоту. У них немає нічого особливо шкідливого, хоча зараз багато дослідників стурбовані проблемою «парникового ефекту», обумовленої збільшенням двоокису вуглецю (СО2) в атмосфері, що впливає на зміну клімату у світі. Насправді, ДВЗ виділяють такі компоненти, які забруднюють довкілля. Особливо шкідливими забруднювачами для бензинових двигунів визнано:

• окис вуглецю (СО);

• пари бензину та незгорілі вуглеводні (СН);

• оксиди азоту (NОx).

Окис вуглецю викликає головний біль, порушення зору, слабкість, а у великих концентраціях задуху, яка може призвести до смерті. Вуглеводні можуть призвести до серйозних запалень слизових оболонок очей, горла та носа. Оксиди азоту викликають запалення легень та є канцерогенами. Крім того, оксиди азоту з'єднуються в атмосфері з парами води та утворюють кислотні дощі. Викид цих забруднювачів збільшується внаслідок неповного згоряння палива. Викид оксидів азоту (NОx) збільшується за високої температури згоряння. Збільшення кількості вуглеводнів (СН) відбувається також за рахунок випаровування палива з бака та через конденсацію бензину на стінках впускного колектора.

Основною системою, що найбільше впливає на зміну економічних і токсичних показників роботи двигуна, є система живлення. Технічний стан системи живлення, а також робота двигуна на змінних режимах змінюють коефіцієнт надлишку повітря (λ), від якого значно залежить вміст токсичних компонентів, в дуже широких межах.

По мірі збіднення суміші вміст СО різко зменшується і в області складу суміші, найбільш оптимального для горіння (λ = 1,0), у більшості випадків становить 0,2...1,0%. Це пояснюється тим, що кількість кисню, який необхідний для більш повного згоряння палива, збільшується.

Мінімальний вміст СН у відпрацьованих газах спостерігається при λ = 1,05…1,15. При подальшому збільшенні він різко зростає, що пов'язано з уповільненим згорянням суміші і перебоями в роботі двигуна в результаті надмірного її збіднення.

Як видно із графіка, збіднінням горючої суміші можна досягти одночасного зменшення викидів СО та СН. Підвищення повноти згоряння палива при зниженні концентрації цих компонентів покращує паливну економічність двигуна. Однак збіднення горючої суміші має свою межу ефективності. Вже при λ = 1,1 відбуваються пропуски займання і спостерігається нестабільність робочих циклів двигуна, що призводить до поганого згоряння робочої суміші і викиду з відпрацьованими газами циклових зарядів частини палива, що не прореагувало у циліндрах двигуна.

Вміст NOx максимальний при λ = 1,0 і знижується при збідненні або збагаченні суміші. Найбільша концентрація NOx спостерігається за максимальної температури робочого циклу, що відповідає найбільш оптимальному складу суміші. Така закономірність пояснюється лише тим, що механізм утворення NOx має термічну природу, тобто максимальні концентрації цього компонента відповідають максимальній температурі робочого циклу. Аналізуючи залежності вмісту основних токсичних компонентів від λ, можна дійти невтішного висновку, що немає λ, у якому досягалося б зниження концентрації токсичних компонентів при одночасному збереженні високих ефективних показників роботи двигуна. Тому при уточненні регулювальних параметрів двигуна в конкретних умовах експлуатації за різними критеріями ефективності (потужнісних та економічних показників, токсичності відпрацьованих газів, тощо) необхідне прийняття оптимальних технічних рішень.