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四冲程活塞式发动机是现代汽车的核心动力装置。它通过活塞在气缸内的往复运动，配合进气门和排气门的开闭，完成四个连续的工作过程。进气冲程时活塞下行吸入混合气，压缩冲程时活塞上行压缩混合气，做功冲程时混合气燃烧推动活塞下行产生动力，排气冲程时活塞上行排出废气。这四个过程构成一个完整的工作循环。
现在我们详细分析每个冲程的工作过程。进气冲程时，活塞向下运动，进气门开启，形成负压将混合气吸入气缸。压缩冲程时，进排气门都关闭，活塞向上运动将混合气压缩到燃烧室，提高温度和压力。做功冲程时，火花塞点火引起爆燃，高温高压气体迅速膨胀推动活塞向下运动，将热能转化为机械能。排气冲程时，排气门开启，活塞向上运动将燃烧后的废气排出气缸，为下一个循环做准备。
P-V图是发动机热力学分析的基础工具。图中横轴表示气缸内气体体积，纵轴表示气体压力。关键参数包括燃烧室容积Vc，这是活塞在上止点时的最小体积，以及活塞排量Vh加上燃烧室容积的总体积。压缩比定义为最大体积与最小体积的比值，是影响发动机性能的重要参数。当活塞在气缸内上下运动时，气体体积在最小值和最大值之间变化，对应的压力变化在P-V图上形成特定的轨迹。
现在我们逐步绘制四冲程发动机的理论P-V循环图。首先是1到2的等熵压缩过程，对应压缩冲程，气体被绝热压缩，体积减小而压力和温度升高，在图上表现为向左上方的曲线。接着是2到3的等容加热过程，对应点火瞬间，体积保持不变而压力急剧上升，在图上是一条垂直向上的直线。然后是3到4的等熵膨胀过程，对应做功冲程，高压气体绝热膨胀推动活塞，压力下降体积增大，形成向右下方的曲线。最后是4到1的等容放热过程，对应排气开始，体积不变压力急剧下降，完成整个循环。
通过P-V图可以分析发动机的热力学性能。压缩比是关键参数，定义为最大体积与最小体积的比值，图中示例为4。理论热效率公式为η等于1减去1除以r的γ减1次方，其中γ是比热比约为1.4。对于压缩比为4的发动机，理论热效率约为43%。P-V图中封闭曲线的面积代表净功输出，面积越大输出功率越高。提高压缩比可以显著提高热效率，但在实际应用中受到爆震等因素限制。这些参数的分析为发动机设计和优化提供了理论基础。