В процессе расширения теплота преобразуется в полезную механическую работу. Процесс расширения протекает с интенсивным теплообменом между продуктами сгорания и стенками цилиндра.
Процесс расширения имеет более сложный характер, чем сжатие, поскольку происходит с переменным теплообменом, так как кроме охлаждения расширяющихся газов имеется подвод теплоты в результате догорания топлива. В начале процесса расширения подвод теплоты преобладает над его отводом через стенки цилиндра. Конечная фаза процесса расширения сопровождается интенсивным отводом теплоты.
При определении давления Pb и температуры Тb газа в конце такта расширения необходимо учитывать, что объемы газа в точках α ( Vа) и b (Vb,) равны между собой, т.е. Vb= Vа и в бензиновых
ДВС 
Состояние продуктов сгорания при расширении, как и при сжатии, описывается уравнением политропического процесса, но с показателем политропы расширения n2
Откуда давление, МПа, газа в конце такта расширения для бензиновых ДВС
Термодинамическая температура, К, продуктов сгорания в конце такта расширения определяется из уравнения для газа
Откуда для бензиновых ДВС
В дизелях рабочий процесс протекает по смешанному циклу. Процесс расширения с изменением давления начинается ниже ВМТ, поэтому Vz больше объема камеры сгорания, и учитываться должна не степень сжатия е, а степень последующего расширения δ.
Расширение по политропическому закону начинается от точки z, поэтому аналогично бензиновому ДВС для дизелей получим выражения для давления рb и температуры Tb (см. рис. 2.5, б):
где 
— степень последующего расширения газа.
Интенсивность охлаждения газа при расширении является основным фактором, от которого зависит n2. При расчетах показатель n2 политропы расширения принимается средней постоянной величиной на всем протяжении данного процесса. Для дизелей n2= 1,15… 1,30; рb = 0,2…0,5 МПа; Тb= 1000… 1300 К. Для бензиновых ДВС n2 = 1,22… 1,35; рb = 0,2…0,6 МПа; Тb= 1 200… 1 800 К.