往复活塞式内燃机所用的燃料主要是汽油(gasoline)或柴油diesel)。由于汽油和柴油具有不同的性质，因而在发动机的工作原理和结构上有差异。
一. 四冲程汽油机工作原理
汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气，在进气行程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程内完成一个工作循环。
(1) 进气行程(intake stroke)
活塞在曲轴的带动下由上止点移至下止点。此时进气门开启，排气门关闭，曲轴转动180°。在活塞移动过程中，汽缸容积逐渐增大，汽缸内气体压力从pr逐渐降低到pa，汽缸内形成一定的真空度，空气和汽油的混合气通过进气门被吸入汽缸，并在汽缸内进一步混合形成可燃混合气。由于进气系统存在阻力，进气终点(图中a 点)汽缸内气体压力小于大气压力0 p ，即pa= (0.80~0.90) 0 p 。进入汽缸内的可燃混合气的温度，由于进气管、汽缸壁、活塞顶、气门和燃烧室壁等高温零件的加热以及与残余废气的混合而升高到340~400K。
(2) 压缩行程(compression stroke)
压缩行程时，进、排气门同时关闭。活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。活塞上移时，工作容积逐渐缩小，缸内混合气受压缩后压力和温度不断升高，到达压缩终点时，其压力pc可达800~2 000kPa，温度达600~750K。在示功图上，压缩行程为曲线a~c。
(3) 做功行程(power stroke)
当活塞接近上止点时，由火花塞点燃可燃混合气，混合气燃烧释放出大量的热能，使汽缸内气体的压力和温度迅速提高。燃烧最高压力pZ达3 000~6 000kPa，温度TZ达2 200~2 800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，并通过曲柄连杆机构对外输出机械能。随着活塞下移，汽缸容积增加，气体压力和温度逐渐下降，到达b 点时，其压力降至300~500kPa，温度降至1 200~1 500K。在做功行程，进气门、排气门均关闭，曲轴转动180°。在示功图上，做功行程为曲线c-Z-b。
(4) 排气行程(exhaust stroke)
排气行程时，排气门开启，进气门仍然关闭，活塞从下止点向上止点运动，曲轴转动180°。排气门开启时，燃烧后的废气一方面在汽缸内外压差作用下向缸外排出，另一方面通过活塞的排挤作用向缸外排气。由于排气系统的阻力作用，排气终点r 点的压力稍高于大气压力，即pr=(1.05~1.20)p0。排气终点温度Tr=900~1100K。活塞运动到上止点时，燃烧室中仍留有一定容积的废气无法排出，这部分废气叫残余废气。
二. 四冲程柴油机工作原理
四冲程柴油机和汽油机一样，每个工作循环也是由进气行程、压缩行程、做功行程和排气行程组成。由于柴油机以柴油作燃料，与汽油相比，柴油自燃温度低、黏度大不易蒸发，因而柴油机采用压缩终点自燃着火，其工作过程及系统结构与汽油机有所不同.
(1) 进气行程
进入汽缸的工质是纯空气。由于柴油机进气系统阻力较小，进气终点压力pa= (0.85~0.95)p0，比汽油机高。进气终点温度Ta=300~340K，比汽油机低。
(2) 压缩行程
由于压缩的工质是纯空气，因此柴油机的压缩比比汽油机高(一般为ε=16~22)。压缩终点的压力为3 000~5 000kPa，压缩终点的温度为750~1 000K，大大超过柴油的自燃温度(约520K)。
(3) 做功行程
当压缩行程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5 000~9 000kPa，最高温度达1 800~2 000K。由于柴油机是靠压缩自行着火燃烧，故称柴油机为压燃式发动机。
(4) 排气行程
柴油机的排气与汽油机基本相同，只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700~900K。对于单缸发动机来说，其转速不均匀，发动机工作不平稳，振动大。这是因为四个行程中只有一个行程是做功的，其他三个行程是消耗动力为做功做准备的行程。为了解决这个问题，飞轮必须具有足够大的转动惯量，这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。采用多缸发动机可以弥补上述不足。现代汽车用多采用四缸、六缸和八缸发动机。
循环是在上止点开始的，即活塞处在其最上方位置。当活塞在其第一次向下运动的过程(进气冲程)中，燃料与空气的混合体通过一个或者多个气门注入气缸。进气门关闭，紧接着的压缩冲程压缩这种混合气体(压缩冲程)。
于是混合气体在接近压缩冲程顶点时被火花塞点燃。燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下做第三次运动(做功冲程)。第四次也就是最后一次冲程是排气冲程，燃烧过的气体通过排气门排出气缸。
通俗地讲凸轮轴就是一个带有几个叫做凸轮的椭圆形突出体的圆柱，通过它的运动带动气门的运动。凸轮轴旋转时，凸轮推动气门(通常是通过叫做挺杆的中间部件)使之在相应的时间打开。气门是用弹簧顶住的，当凸轮的突起不是正对着气门时它是关闭着的。每个循环一个气门只打开一次，也就是，曲轴旋转两周凸轮轴转一周。上面图示是双顶置式凸轮轴发动机。
四冲程发动机比两冲程的效率要高很多。不过需要相当多的可移动零件以及更高的制造技术。
四冲程柴油发动机的四个冲程
