Разбор начинается с простого кривошипа — рукоятки, плеча и вала. Сила, приложенная к рукоятке на расстоянии, создаёт крутящий момент. Так работает ручная кофемолка или велосипед. Но чтобы не использовать мускулы, нужен надёжный источник сильного направленного толчка. Им становится «пушка»: порох воспламеняется, газы толкают ядро по стволу. Ядро улетает, а вал проворачивается лишь частично.
Проблему решает piston (поршень) с отверстием для rod (шатуна), закреплённого на crankshaft (коленвалу). Внутри cylinder (цилиндра) поршень ходит вверх-вниз — это stroke (такт). Взрыв толкает поршень вниз, crankshaft крутится. Чтобы повторять цикл, нужны жидкое топливо и клапаны. В cylinder добавляют intake valve (впускной клапан), exhaust valve (выпускной клапан) и свечу зажигания.
Четыре такта: intake stroke (поршень идёт вниз, всасывает смесь воздуха и gasoline), compression stroke (поршень сжимает смесь), power stroke (искра поджигает, газы толкают поршень — рабочий ход), exhaust stroke (выхлоп наружу). За два оборота crankshaft совершается полный цикл. Так работает four-stroke engine.
Реальный двигатель, например inline four cylinder engine, строится на engine block (блоке цилиндров). Внутри проходят каналы для coolant (охлаждающей жидкости). Crankshaft крепится на подшипниках (bearings). Через отверстия в них под давлением подаётся масло — создаётся гидродинамическая смазка (hydrodynamic lubrication), вал всплывает на тонкой плёнке масла. Каналы внутри вала подают масло к rod journals.
Piston (поршень) пустотелый, лёгкий. Верхние piston rings (кольца) герметизируют камеру, нижнее — oil control ring — снимает лишнее масло со стенок. Шатун крепится gudgeon pin.
Сверху блок закрывает cylinder head (головка блока). В ней — intake и exhaust ports (впускные и выпускные окна). Клапаны (valves) подпружинены и открываются camshaft (распредвалом) через bucket (толкатель). Форма cam (кулачка) задаёт момент и высоту открытия. Timing belt (ремень ГРМ) синхронизирует вращение crankshaft и camshaft — за два оборота коленвала распредвалы делают один.
Топливо подаётся fuel injector (форсункой) напрямую в цилиндр (direct injection). Управляет всем ECU (Engine Control Unit). Свеча зажигания (spark plug) даёт искру чуть раньше верхней точки сжатия — смеси нужно время, чтобы сгореть.
Давление в цилиндре меняется: на впуске — разрежение, затем сжатие, резкий пик от сгорания, падение при расширении. Крутящий момент зависит не только от давления, но и от плеча силы на crankshaft. В верхней мёртвой точке сила только давит вниз, не вращая вал — плечо равно нулю.