发动机产生的最大功率由摄入的最大空气量决定。活塞发动机产生的功率与其尺寸（气缸容积）有关，无论是二冲程发动机还是四冲程设计，容积效率，损耗，空燃比，燃料的热值，空气的氧含量和速度（RPM）。速度最终受到材料强度和润滑的限制。阀门、活塞和连杆承受严重的加速力。在高发动机转速下，可能会发生物理断裂和活塞环颤振，导致功率损失甚至发动机损坏。当活塞环在其所在的活塞槽内垂直摆动时，就会发生活塞环颤振。活塞环颤振会破坏活塞环和气缸壁之间的密封，从而导致气缸压力和功率的损失。如果发动机旋转得太快，气门弹簧就不能足够快地作用以关闭气门。这通常被称为“气门浮子”，它可能导致活塞与气门接触，严重损坏发动机。在高速行驶时，活塞气缸壁界面的润滑容易发生故障。这将工业发动机的活塞转速限制在约10m/s。

发动机的输出功率取决于进气（空气-燃料混合物）和废气物质通过气门（通常位于气缸盖中的气门）的能力。为了提高发动机的输出功率，可以消除进气和排气路径中的不规则性，例如铸造缺陷，并且借助气流工作台，可以修改气门口转弯和气门座配置的半径以减小阻力。这个过程称为移植，可以手工或用CNC机床完成。

内燃机平均只能将40-45%的供应能量转化为机械功。很大一部分废能是以热量的形式，通过冷却剂，翅片等释放到环境中。如果以某种方式捕获废热并将其转化为机械能，则可以通过提高循环的整体效率来提高发动机的性能和/或燃油效率。已经发现，即使回收了6%完全浪费的热量，也可以大大提高发动机效率。

为了从发动机排气中提取废热，并进一步使用它来提取一些有用的工作，同时减少废气污染物，已经设计了许多方法。朗肯循环、涡轮增压和热电发电的使用可以作为废热回收系统非常有用。