Паровые двигатели в то время оставались громоздкими и тяжелыми, поскольку содержали в своей конструкции топку и паровой котел. Экспериментаторы, стремившиеся создать легкие компактные двигатели, задумались над возможностью сжигать топливо непосредственно внутри рабочего цилиндра.
В середине XIX века внимание инженеров привлек светильный газ, который использовался для освещения улиц европейских городов. Стало ясно, что этот газ, содержащий углеводороды, сможет, сгорая прямо в цилиндре двигателя, перемещать поршень не хуже водяного пара. С появлением индукционной катушки, способной извлекать электрическую искру, решился вопрос о том, как можно воспламенить газовую смесь.
Первый двигатель, способный работать на смеси светильного газа и воздуха, в 1860 году создал французский механик Этьен Ленуар. Поршень в горизонтальном цилиндре этого двигателя совершал рабочий ход при движении в обе стороны (впуск и выпуск газов осуществлялся с двух концов цилиндра; смесь поджигалась искрой от электрических свечей с обеих сторон от поршня). Но КПД такого двигателя был крайне низким: всего 4 %. Велик был расход топлива, не отличались надежностью свечи зажигания и выпускной золотник, а для охлаждения двигателя требовалось огромное количество воды (около 120 кубометров в час). Работа двигателя Ленуара обходилась в 7 раз дороже, чем работа паровой машины той же мощности. Зато из-за отсутствия котла и топки такой двигатель был гораздо компактнее, поэтому им оснащали лодки.
Недостатки двигателя Ленуара учел немецкий конструктор Николаус Август Отто. В 1864 году он создал двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который тоже работал на смеси воздуха со светильным газом, но при этом совершал один рабочий ход. Сделав цилиндр вертикальным, Отто заставил поршень двигаться вниз без помощи давления газов, под воздействием силы тяжести и атмосферного давления. Такой двигатель оказался в 4–5 раз экономичнее, чем двигатель Ленуара. К тому же Отто поджигал газовую смесь не электрической искрой, а пламенем газовой горелки, что было более надежным способом при тогдашнем уровне развития техники. Первые ДВС Отто использовались для того, чтобы приводить в движение токарные и ткацкие станки, прядильные и типографские машины, грузовые лифты-подъемники и т. д. Похожие двигатели и сейчас используются в сенокосилках, бензопилах, в лодочных и мотоциклетных моторах.
Настоящий прорыв в создании двигателя внутреннего сгорания Николаус Отто совершил в 1876 году. Он реализовал идею французского инженера Альфонса Бо де Роша о четырехтактном двигателе, в котором становится обязательным предварительное сжатие рабочей смеси газа с воздухом, позволяющее