Роботу будь-якого чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння можна описати за допомогою термодинамічного циклу. Теоретичною моделлю для бензинових двигунів слугує цикл, запропонований Отто Ніколаусом Августом у 1876 році. Ця модель, відома як цикл Отто, є ідеальним циклом, що означає, що вона не враховує реальних втрат, таких як тертя чи тепловіддача.

Цикл Отто складається з чотирьох ідеалізованих процесів, що відбуваються з робочим тілом (газоповітряною сумішшю):

Два процеси є адіабатними (без теплообміну), а два — ізохорними (при сталому об'ємі). Ця послідовність створює замкнений цикл на діаграмі тиск-об'єм (P-V), площа всередині якого представляє корисну роботу, виконану за цикл.

Ідеальний цикл — це корисна абстракція, але реальні процеси в двигуні набагато складніші. Щоб побачити, що насправді відбувається в циліндрі, інженери використовують індикаторні діаграми. Це графік залежності тиску в циліндрі від положення поршня (об'єму), записаний за допомогою спеціальних датчиків під час роботи двигуна.

Основні відмінності реального циклу від ідеального:

1. Процеси газообміну: В ідеальному циклі не розглядаються такти впуску та випуску. У реальному двигуні на це витрачається енергія. На діаграмі це виглядає як невелика петля в нижній частині графіка, відома як петля насосних втрат.
2. Час згоряння: Згоряння палива не відбувається миттєво. Воно починається трохи раніше ВМТ (випередження запалювання) і триває певний час. Це "згладжує" верхній лівий кут діаграми.
3. Тепловтрати: Частина тепла від згоряння палива йде не на виконання роботи, а передається стінкам циліндра, що знижує максимальний тиск і температуру. Тому реальна крива розширення лежить нижче ідеальної.

Ефективність двигуна, або його коефіцієнт корисної дії (ККД), показує, яка частка теплової енергії палива перетворюється на корисну механічну роботу. В ідеальному циклі Отто ККД залежить лише від ступеня стиснення. Однак у реальному світі все складніше.

Основні види втрат, що знижують ККД реального двигуна, включають:

• Теплові втрати: Як згадувалося, тепло йде через стінки циліндра, поршень та головку блоку циліндрів у систему охолодження. Це найбільша стаття втрат.
• Втрати на газообмін: Це енергія, яку двигун витрачає, щоб "вдихнути" свіжу паливоповітряну суміш і "видихнути" відпрацьовані гази. Ці втрати називаються насосними ходами і є особливо помітними при низьких навантаженнях, коли дросельна заслінка прикрита.
• Механічні втрати: Робота витрачається на подолання тертя між поршневими кільцями і циліндром, у підшипниках колінчастого вала та на приведення в дію допоміжних механізмів (наприклад, генератора, помпи).

Ще один важливий параметр — це коефіцієнт наповнення. Він показує, наскільки добре циліндр заповнюється свіжим зарядом паливоповітряної суміші порівняно з теоретично можливим об'ємом. В ідеалі він дорівнює 1 (або 100%), але в реальності завжди менший через гідравлічний опір впускного тракту та нагрівання суміші від гарячих деталей.

Зрозуміло, що відмінності між теорією та практикою величезні. Розуміння цих втрат та недосконалостей процесів є ключовим для інженерів, які прагнуть підвищити потужність та економічність сучасних двигунів.