Efficacité thermique 

Toute étude des moteurs et de la puissance implique de considérer la chaleur comme source de puissance. La chaleur produite par la combustion de l'essence dans les cylindres provoque une expansion rapide des gaz dans le cylindre, ce qui, à son tour, déplace les pistons et crée de l'énergie mécanique. On sait depuis longtemps que le travail mécanique peut être converti en chaleur et qu'une quantité donnée de chaleur contient l'équivalent énergétique d'une certaine quantité de travail mécanique. La chaleur et le travail sont théoriquement interchangeables et entretiennent une relation fixe l'un avec l'autre. La chaleur peut donc être mesurée en unités de travail (par exemple, ft-lb) ainsi qu'en unités de chaleur. L'unité thermique britannique (BTU) de chaleur est la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 livre d'eau de 1 °F. Cela équivaut à 778 lb-pi de travail mécanique. Une livre de carburant pétrolier, lorsqu'il est brûlé avec suffisamment d'air pour le consommer complètement, il donne environ 20 000 BTU, l'équivalent de 15 560 000 pi-lb de travail mécanique. Ces quantités expriment l'énergie calorifique du combustible en unités de chaleur et de travail, respectivement.

Le rapport entre le travail utile effectué par un moteur et l'énergie thermique du carburant qu'il utilise, exprimé en unités de travail ou de chaleur, est appelé rendement thermique du moteur. Si deux moteurs similaires utilisent des quantités égales de carburant, le moteur qui convertit en travail la plus grande partie de l'énergie contenue dans le carburant (rendement thermique le plus élevé) fournit la plus grande quantité de puissance. 

De plus, le moteur qui a le rendement thermique le plus élevé a moins de chaleur perdue à évacuer vers les soupapes, les cylindres, les pistons et le système de refroidissement du moteur. Un rendement thermique élevé signifie également une faible consommation spécifique de carburant et donc moins de carburant pour un vol d'une distance donnée à une puissance donnée. Ainsi, l'importance pratique d'un rendement thermique élevé est triple, et il constitue l'une des caractéristiques les plus souhaitables dans les performances d'un moteur d'avion. 

De la chaleur totale produite, 25 à 30 % sont utilisés pour la puissance de sortie, 15 à 20 % sont perdus lors du refroidissement (chaleur rayonnée par les ailettes de la culasse), 5 à 10 % sont perdus en surmontant le frottement des pièces mobiles ; et 40 à 45 pour cent sont perdus par l'échappement. Tout ce qui augmente le contenu calorifique entrant dans le travail mécanique sur le piston, qui réduit les pertes par frottement et par pompage, ou qui réduit la quantité de carburant non brûlé ou la chaleur perdue par les pièces du moteur, augmente le rendement thermique.

La part de la chaleur totale de combustion qui est transformée en travail mécanique dépend dans une large mesure du taux de compression. Le taux de compression est le rapport de la cylindrée du piston plus l'espace de la chambre de combustion à l'espace de la chambre de combustion, comme mentionné précédemment. Toutes choses égales par ailleurs, plus le taux de compression est élevé, plus la proportion de l'énergie calorifique de la combustion transformée en travail utile au niveau du vilebrequin est importante. D'autre part, l'augmentation du taux de compression augmente la température de la culasse. Il s'agit d'un facteur limitant car la température extrêmement élevée créée par des taux de compression élevés provoque la détérioration rapide du matériau dans le cylindre et la détonation du carburant au lieu de brûler à une vitesse contrôlée.

L'efficacité thermique d'un moteur peut être basée soit sur le ch, soit sur la puissance indiquée (ihp) et est représentée par la formule :  Efficacité thermique indiquée = ihp × 33 000 / poids de carburant brûlé/min. × valeur thermique × 778.  La formule pour l'efficacité thermique des freins est la même que celle indiquée ci-dessus, sauf que la valeur pour bhp est insérée à la place de la valeur pour ihp.

Efficacité mécanique 

L'efficacité mécanique est le rapport qui indique la quantité de puissance développée par les gaz en expansion dans le cylindre qui est réellement transmise à l'arbre de sortie. C'est une comparaison entre le bhp et l'ihp. Il peut être exprimé par la formule :  Rendement mécanique = bhp / ihp

La puissance au frein est la puissance utile délivrée à l'arbre porte-hélice. La puissance indiquée est la puissance totale développée dans les cylindres. La différence entre les deux est la puissance de friction (fhp), la puissance perdue en surmontant la friction. Le facteur qui a le plus d'effet sur l'efficacité mécanique est le frottement à l'intérieur du moteur lui-même. Le frottement entre les pièces mobiles d'un moteur reste pratiquement constant sur toute la plage de régime du moteur. Par conséquent, le rendement mécanique d'un moteur est le plus élevé lorsque le moteur tourne au régime auquel la puissance maximale est développée. L'efficacité mécanique d'un moteur à pistons d'avion moyen approche les 90 %.

Efficacité volumetrique 

L'efficacité volumétrique est un rapport exprimé en termes de pourcentages. Il s'agit d'une comparaison du volume de charge carburant / air (corrigé pour la température et la pression) introduit dans les cylindres à la cylindrée totale du piston du moteur. Divers facteurs provoquent un écart par rapport à une efficacité volumétrique de 100 %. Les pistons d'un moteur à aspiration naturelle déplacent le même volume chaque fois qu'ils se déplacent du centre supérieur au centre inférieur des cylindres. La quantité de charge qui remplit ce volume lors de la course d'admission dépend de la pression et de la température existantes de l'atmosphère environnante. Par conséquent, pour trouver le rendement volumétrique d'un moteur, des normes de pression atmosphérique et de température ont dû être établies. Les Etats Unis

La température standard au niveau de la mer est de 59 °F ou 15 °C. À cette température, la pression d'une atmosphère est de 14,69 lb/in2, et cette pression supporte une colonne de mercure (Hg) de 29,92 pouces de haut, ou 29,92 "Hg. Ces conditions standard au niveau de la mer déterminent une densité standard, et si le moteur tire dans un volume de charge de cette densité exactement égal à la cylindrée de son piston, on dit qu'il fonctionne à un rendement volumétrique de 100 %. Un moteur qui consomme moins de volume que celui-ci a un rendement volumétrique inférieur à 100 %. (boost au-dessus de 30,00 "Hg) peut avoir une efficacité volumétrique supérieure à 100 %. L'équation du rendement volumétrique est la suivante :  Rendement volumétrique = Volume de charge (corrigé en fonction de la température et de la pression) / Déplacement du piston De nombreux facteurs diminuent l'efficacité volumétrique, notamment : • Fonctionnement à mi-régime • Longs conduits d'admission de petit diamètre • Coudes prononcés dans le système d'admission • Température de l'air du carburateur trop élevée • Température de la culasse trop élevée • Balayage incomplet • Mauvais calage des soupapes.

Efficacité de propulsion 

Une hélice est utilisée avec un moteur pour fournir une poussée. Le moteur fournit des chevaux par l'intermédiaire d'un arbre rotatif, et l'hélice absorbe les chevaux et les convertit en chevaux de poussée. Dans cette conversion, une partie de l'énergie est gaspillée. Étant donné que l'efficacité de toute machine est le rapport entre la puissance de sortie utile et la puissance absorbée, l'efficacité de propulsion (dans ce cas, l'efficacité de l'hélice) est le rapport entre la poussée et la puissance. En moyenne, la puissance de poussée constitue environ 80 % du ch. Les 20 % restants sont perdus en friction et en glissement. Le contrôle de l'angle des pales de l'hélice est la meilleure méthode pour obtenir un rendement propulsif maximal dans toutes les conditions rencontrées en vol. 

Au décollage, lorsque l'avion se déplace à basse vitesse et lorsque la puissance et la poussée maximales sont requises, un faible angle de pale de l'hélice donne une poussée maximale. Pour le vol ou la plongée à grande vitesse, l'angle des pales est augmenté pour obtenir une poussée et une efficacité maximales. L'hélice à vitesse constante est utilisée pour donner la poussée requise avec une efficacité maximale pour toutes les conditions de vol.