Thân máy của động cơ V8Piston, vòng găng, chốt piston, và thanh truyền

Bộ phận chính của động cơ đốt trong piston tịnh tiến là thân động cơ (hay còn gọi là thân máy, lốc máy), có nhiệm vụ chứa và lắp ráp tất cả chi tiết bộ phận trong động cơ. Thân động cơ thường được đúc bằng gang xám nhờ vào khả năng chịu mài mòn tốt và giá thành thấp; tuy nhiên, ngày nay, thân động cơ thường được làm bằng hợp kim nhôm.[65]

Xi lanh được đặt trong thân động cơ. Xi lanh cùng với nắp xi lanh và đỉnh piston tạo thành buồng đốt và thể tích làm việc của động cơ. Đối với động cơ nhiều xi lanh, những xi lanh được sắp xếp thành một hàng (động cơ xi lanh thẳng hàng) hoặc hai hàng (động cơ Boxer hoặc chữ V), một số động cơ hiện đại có bố trí xi lanh thành ba hàng (động cơ chữ W); ngoài ra, cũng có một số cách bố trí xi lanh khác trong động cơ đốt trong. Động cơ xi lanh đơn được dùng phổ biến trong xe gắn máy hoặc những máy công tác loại nhỏ. Ở những động cơ làm mát bằng nước, thân động cơ chứa những khoang chứa nước giải nhiệt, được gọi là áo nước, giúp nước tuần hoàn và làm mát động cơ. Ở những động cơ nhỏ làm mát bằng không khí, thay vì sử dụng áo nước, bên ngoài thân động cơ có những cánh tản nhiệt bằng cách truyền nhiệt trực tiếp ra ngoài không khí. Mặt trong xi lanh được mài rãnh chéo song song (crosshatch) giúp giữ dầu nhờn và tạo bề mặt trượt tốt hơn.[66] Bề mặt xi lanh quá thô nhám sẽ làm mòn piston và nhanh gây hư hỏng động cơ. Xi lanh thường được đúc nguyên khối vào thân máy. Những động cơ lớn hoặc động cơ xe tải thường sử dụng những ống xi lanh rời, có thể thay thế khi bị mòn. Ống xi lanh có hai loại khô và ướt[lower-alpha 22] tùy vào thiết kế ống xi lanh có tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát hay không.[65]

Piston là bộ phận hình trụ ngắn bên trong xi lanh. Piston có hai nhiệm vụ chính. Piston kết hợp cùng với xi lanh và nắp xi lanh tạo thành buồng đốt động cơ. Piston chuyển động tịnh tiến qua lại trong xi lanh, giúp truyền áp suất khí cháy, qua tay biên và chốt piston đến trục khuỷu. Ngoài ra, ở một số động cơ hai kỳ, piston còn làm nhiệm vụ đóng mở cửa nạp và cửa xả.[67] Phần trên cùng của piston được gọi là đỉnh piston. Đỉnh piston trực tiếp nhận áp lực và nhiệt lượng của khí cháy. Đỉnh piston thường có dạng phẳng, lõm, hoặc lồi. Ngoài ra, động cơ hai kỳ sử dụng piston có đỉnh dạng lồi nghiêng[lower-alpha 23] để dẫn hướng dòng khí nạp–xả dễ dàng hơn. Piston thường được làm bằng hợp kim nhôm trong các động cơ loại nhỏ hoặc bằng gang xám trong những động cơ loại lớn, tốc độ thấp. Chốt piston là bộ phận nối giữa thanh truyền và piston; chốt piston thường có thiết kế rỗng để giảm khối lượng.[68] Phần thân piston có tiện các rãnh để đặt vòng găng (vòng xéc-măng) có nhiệm vụ ngăn không cho khí cháy lọt xuống các-te động cơ và ngăn không cho dầu nhờn lọt vào buồng đốt. Ngoài ra, vòng găng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giải nhiệt cho phần đỉnh piston. Khoảng 70% trong tổng nhiệt lượng mà đỉnh piston nhận sẽ được truyền qua vòng găng.[69]

Hệ thống thông khí động cơ (PCV) cho phép một lượng nhỏ khí cháy thoát ra từ các-te động cơ đi qua piston thải ra ngoài (gọi là khí thoát), nhằm tránh làm bẩn dầu và gây ăn mòn. Ở động cơ xăng hai kỳ, hành trình lưu chuyển của hỗn hợp không khí và nhiên liệu đi qua các-te nên loại động cơ này không cần hệ thống thông khí riêng biệt.

Hệ thống nạp nhiên liệu trên nắp xi lanh của một động cơ Diesel. Loại động cơ này sử dụng cò mổ thay vì đũa đẩy.

Nắp xi lanh[lower-alpha 24] được gắn vào thân máy nhờ bu-loong hoặc đinh tán. Nắp xi lanh có nhiệm vụ đậy kín toàn bộ xi lanh, ở phía đối diện piston. Nắp xi lanh còn làm giá đỡ lắp ráp các chi tiết như ống dẫn hướng xu páp, xu páp nạp (mở ra khi nạp khí mới vào xi lanh), và xu páp xả (mở ra khi xả khí cháy ra khỏi xi lanh). Tuy nhiên, ở động cơ hai kỳ, ống dẫn hướng khí được nối trực tiếp vào thành xi lanh mà không cần dùng đến van poppet (đầu xu páp) mà thay vào đó, piston có nhiệm vụ kiểm soát việc đóng mở cửa nạp và cửa xả. Nắp xi lanh còn là nơi lắp bugi ở động cơ đánh lửa và kim phun ở động cơ phun nhiên liệu trực tiếp. Động cơ Diesel (động cơ CI) đều sử dụng hệ thống phu nhiên liệu, một số loại sử dụng phương pháp phun trực tiếp, một số loại khác dùng phương pháp phun gián tiếp. Hầu hết những động cơ đánh lửa (động cơ SI) sử dụng một bugi trên mỗi xi lanh, tuy nhiên một số động cơ có thể sử dụng hai bugi cho một xi lanh. Để tăng độ kín khít và ngăn không cho khí cháy thoát ra giữa nắp xi lanh và thân máy, người ta sử dụng tấm đệm, gọi là vòng đệm nắp máy (hay còn gọi roong nắp máy, gioăng nắp máy)[lower-alpha 25]. Trục cam và lò xo xu páp là những chi tiết điều khiển quá trình đóng mở các xu páp. Có nhiều cơ cấu điều khiển trục cam, trong đó, cơ cấu phối khí trục cam trên đỉnh (OHC) là loại thường gặp nhất trong các động cơ tốc độ vòng tua cao.[70] Một số động cơ sử dụng cơ cấu phân khối khí Desmodromic, là cơ cấu không sử dụng lò xo mà sử dụng đòn bẩy để đóng mở xu páp. Trục cam có thể tác động trực tiếp lên thân xu páp hoặc lên cò mổ[lower-alpha 26] trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua đũa đẩy[lower-alpha 27].

Mặt dưới của thân máy. Có thể thấy trong hình: xi lanh, đầu phun dầu, một nửa của ổ trục chính.

Phần đáy của các-te động cơ là bình gom dầu có nhiệm vụ thu hồi dầu nhờn chảy xuống khi động cơ hoạt động và hồi lưu dầu nhờn đó để bôi trơn động cơ. Trục khuỷu được đặt trong trong phần không gian giữa xi lanh và bình gom dầu. Trục khuỷu có vai trò biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay. Trục khuỷu được giữ cố định bằng những ổ trục chính (hay còn gọi gối đỡ chính), giúp trục khuỷu có thể xoay được. Vách ngăn trong các-te chia mỗi gối đỡ chính thành hai phần; mỗi phần có nắp đậy có thể tháo rời. Thanh truyền (hay còn gọi là biên, tay biên) là bộ phận nối trục khuỷu tại chốt trục khuỷu (hay còn gọi là cổ biên)[lower-alpha 28] và piston tại chốt piston[lower-alpha 29]. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác động và biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động tròn của trục khuỷu. Phía đầu tay biên nối trực tiếp với trục piston được gọi là đầu trên biên hay đầu biên nhỏ; phía đầu nối trực tiếp với chốt trục khuỷu được gọi là đầu dưới biên hay đầu biên lớn. Đầu dưới biên thường được cắt thành hai nửa để có thể dễ dàng lắp ráp vào trục khuỷu; nửa trên nối trực tiếp với biên, nửa dưới được gọi là nắp biên. Hai nửa này được ghép lại bằng hai bu lông.

Nắp xi lanh còn là nơi lắp cổ hút và cổ xả động cơ. Cổ hút hay còn gọi là cụm ống hút được nối trực tiếp với bộ lọc gió hoặc nối gián tiếp thông qua bộ chế hòa khí. Cổ hút có vai trò phân phối khí đến các xi lanh. Cổ xả là chi tiết đầu tiên trong hệ thống xả khí của động cơ, có vai trò thải khí cháy từ xi lanh. Hệ thống xả của động cơ đốt trong cũng có thể có thêm bộ lọc khí xúc tác và ống giảm thanh. Bộ phận cuối cùng trong hệ thống xả là ống bô.