四冲程：进气、压缩、做功、排气

在大多数汽车中，活塞反复执行相同的四冲程循环。名称来源于活塞的四个冲程：

1. 进气。 进气门打开，活塞向下运动，吸入新鲜空气。在缸内直喷汽油发动机中，燃油喷入进气道；在缸内直喷发动机中，燃油直接喷入气缸。
2. 压缩。 两个气门都关闭。活塞向上运动，将气体压缩到更小的空间。压缩使气体升温，为燃烧做准备。
3. 做功。 在压缩冲程接近上止点时，火花塞点火。混合气燃烧，高温气体膨胀并推动活塞向下。这是唯一向曲轴传递能量的冲程。此时两个气门仍然关闭。
4. 排气。 排气门打开，活塞向上运动，将燃烧后的废气排出。然后循环重新开始。

数一数曲轴的转数：每个冲程是半圈（180°），所以一个循环是 4 × 180° = 720°，即曲轴转两圈。凸轮轴负责开启气门，每个循环只需开启一次，因此它的转速是曲轴的一半，每个循环转一圈。在发动机中，它通过皮带或链条驱动，传动比为 2 : 1。

这也意味着单个气缸每两圈才有一次做功冲程，而不是每圈一次。在 3 000 rpm 时，曲轴每秒转 50 圈，因此一个气缸每秒点火 25 次。

其他三个冲程的能量从哪里来？来自飞轮，在多缸发动机中则来自其他气缸，因为它们正处于各自的做功冲程。进气、压缩和排气冲程都需要消耗一点能量来推动和压缩气体。

如果你绘制气体压力随气缸体积变化的曲线，会得到一个闭合回路，即P–V 图。回路内部的面积代表每个循环的净功。粒子实验室的“热机”世界会绘制奥托循环的该图并推导其效率；在这里，我们只是观察活塞运动时回路的绘制过程。

一些小型发动机（割草机、链锯、小型踏板车）是二冲程的：它们通过合并冲程实现每圈点火一次，这使得它们轻便简单，但更难保持清洁。汽车几乎总是使用四冲程循环，因为它能更好地控制气体交换。