四大冲程
四大冲程包括（吸气冲程 压缩冲程 做功冲程 排气冲程）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。
连控轨道阀调速
大部分的四冲程发动机，气门都是简单地随着弹簧的返回而关闭。随着发动机转速的提高，弹簧推动气门开合的时间会有所改变，而这时间的改变不利于发动机的性能发挥。
这个问题的解决办法之一是连控轨道阀（Desmodromic valve）调速系统。这个系统是用一个机械装置调整气门的开合。这样就可以得到更高转速的发动机。
一些设计用到额外的凸轮轴和摇杆。
这个系统的缺点是复杂程度高、成本高，有的制造商将其用在为摩托车发动机的杜卡迪系统。