Во время работы двигателя поршень перемещается в цилиндре, приближаясь к оси коленчатого вала или удаляясь от нее. При наибольшем удалении от этой оси поршень занимает положение, называемое верхней мертвой точкой (в.м. т.), а при наименьшем — нижней мертвой точкой (н. м. т). В этих точках поршень, останавливаясь на мгновение, изменяет направление своего движения на обратное.

Расстояние S между мертвыми точками называется ходом поршня. За один ход поршня (например, от в. м. т. к н. м.т.) коленчатый вал поворачивается на пол-оборота.

Полость над поршнем, находящимся в в. м.т., называется объемом камеры сгорания (камеры сжатия), а полость, расположенная над поршнем, когда он находится в н. м.т. — полным объемом цилиндра. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при перемещении от в. м. т. до н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра. Рабочий объем всех цилиндров, выраженный в литрах, называется литражом двигателя.

В головке цилиндра имеются впускные и выпускные отверстия с клапанами. В точно определенные моменты они открываются и закрываются с помощью распределительного механизма, в который входят клапаны, передаточные детали, кулачковый вал и распределительные шестерни.

При вращении коленчатого вала, когда соединенный с шатуном поршень отходит от в. м.т., над ним в цилиндре создается разрежение. В это время впускной клапан откроется и цилиндр начнет заполняться атмосферным воздухом. После прохода поршнем н.м.т. впускное отверстие закроется. При дальнейшем повороте вала поршень, перемещаемый шатуном, идет вверх и сжимает воздух, заполнивший цилиндр. Когда поршень придет в в. м.т., весь воздух, занимавший полный объем цилиндра, будет сжат в камере сгорания. Число, показывающее, во сколько раз уменьшается объем воздуха (или смеси воздуха с топливом) в цилиндре двигателя, называется степенью сжатия и обозначается буквой е.

При сжатии воздух в камере сгорания, нагреваясь, достигает высокой температуры. В эту камеру впрыскивается мелкораспыленное топливо. Соприкасаясь с горячим воздухом и нагретым поршнем, частицы топлива испаряются, воспламеняются и сгорают, выделяя теплоту. В результате температура и давление газов над поршнем резко возрастают, и под действием давления поршень перемещается вниз — происходит расширение газов. При этом давление и температура их уменьшаются. Так, тепловая энергия преобразуется в механическую. Сила давления газов от поршня через шатун передается коленчатому валу и вращает его. В конце хода поршня вниз открывается выпускной клапан. Маховик, получив разгон, выводит механизм из н.м.т. Поршень выталкивает из цилиндра отработавшие газы, освобождая его для следующей порции (дозы) свежего воздуха. При вращении коленчатого вала все процессы в цилиндре повторяются.

Следовательно, работа двигателя основана на свойстве нагретых газов расширяться. Она слагается из четырех ходов поршня, при которых в цилиндре протекают процессы впуска свежего воздуха, сжатия его, подачи и сгорания топлива и расширения горячих газов, выпуска отработавших газов. Эти процессы, чередуясь в указанном порядке, составляют рабочий цикл двигателя. Часть рабочего цикла, протекающая во время движения поршня от одной мертвой точки до другой, называется тактом.

Из четырех тактов только при одном — расширении газов — совершается полезная работа. Этот такт называется рабочим ходом. Остальные такты вспомогательные. Они совершаются за счет части энергии, накопленной маховиком.

Двигатель, рабочий цикл которого совершается за четыре хода (такта) поршня (за два оборота коленчатого вала), называется четырехтактным. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), называется двухтактным.