Горючей смесью называется поступающая в цилиндры во время работы двигателя смесь распыленного и частично испаренного топлива с воздухом. После того как горючая смесь смешается внутри цилиндра с отработавшими газами, оставшимися от предшествующего рабочего цикла («остаточными» газами), ее называют рабочей смесью.

В процессе сгорания углерод и водород топлива соединяются с кислородом воздуха. В зависимости от количества воздуха, поступающего в цилиндр двигателя, сгорание может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются продукты, состоящие из углекислоты, водяных паров, избыточного кислорода и азота.

В случае недостатка кислорода только часть углерода топлива сгорает полностью и образует углекислоту; остальной углерод сгорает не полностью, образуя окись углерода.

Для полного сгорания 1 кг бензина требуется около 15 кг (или 12 м²) воздуха. Это количество воздуха называют теоретически необходимым, а смесь, содержащую такое количество воздуха — нормальной. Если в смеси содержится свыше 15, но не более 17 кг воздуха на 1 кг топлива, ее называют обедненной, а при содержании воздуха свыше 17 кг — бедной. Смесь, в которой содержится на 1 кг топлива меньше 15, но не ниже 12 кг воздуха, является обогащенной, а менее 12 кг — богатой.

Соотношение количества топлива и воздуха в смеси влияет на мощность и топливную экономичность двигателя.

Двигатель, работающий на нормальной смеси, развивает мощность, близкую к максимальной, и расходует топливо в пределах нормы.

На обогащенной смеси двигатель развивает максимальную мощность, но расходует несколько больше топлива, чем на нормальной смеси.

При работе на богатой смеси мощность двигателя снижается, а расход топлива повышается. Во время работы на такой смеси из выпускной трубы двигателя идет черный дым, указывающий на неполноту сгорания топлива (в отработавших газах содержится несгоревший углерод топлива в виде сажи). Очень богатая смесь, содержащая 5 и менее частей воздуха на 1 часть топлива, не воспламеняется, и на ней двигатель работать не может.

Обедненная смесь с соотношением количества топлива и воздуха около 1:16 обеспечивает наибольшую по сравнению со смесями других составов экономичность двигателя, но его мощность несколько ниже, чем при нормальной смеси.

Бедная смесь вызывает резкое уменьшение мощности двигателя, так как скорость ее горения очень мала. При работе двигателя на бедной смеси возрастает расход топлива, появляются перебои в работе цилиндров, вспышки в карбюраторе («чихание») и двигатель перегревается. Если на 1 кг топлива приходится 21 кг и более воздуха, смесь теряет способность воспламеняться и двигатель не работает.

Во время пуска и прогрева холодного двигателя смесь должна быть богатой (соотношение количеств топлива и воздуха 1:8 — 1:10), так как значительная часть содержащегося в ней распыленного топлива не испаряется, а оседает на стенках впускного трубопровода и цилиндров, образуя на них жидкую пленку.

Для устойчивой работы прогретого двигателя на малых оборотах холостого хода требуется обогащенная смесь.

Когда двигатель работает с неполной нагрузкой, смесь должна быть обедненной, что обеспечивает экономичность работы двигателя, а при полной нагрузке — обогащенной, чтобы двигатель развивал максимальную мощность.

При нормальном горении топлива в цилиндрах скорость распространения пламени от свечи зажигания по всему объему камеры сгорания составляет 30 — 40 м/сек. В этом случае давление в цилиндре повышается быстро, но плавно.

Детонационным горением, или детонацией, называют горение смеси со скоростью, достигающей 2000 м/сек и выше, носящее характер взрыва.

Признак детонации — появление звонких металлических стуков в цилиндрах.

Детонация вредна, поскольку вызываемое ею резкое повышение давления в цилиндрах может быть причиной раскрошивания подшипников коленчатого вала, повреждения поршней и других деталей двигателя. Кроме того, при детонации топливо сгорает не полностью, вследствие чего падает мощность и ухудшается экономичность двигателя.