Преимущества нового двигателя перед паровой машиной не ограничивались ликвидацией котла и топки. Газовые двигатели не требовали разведения пара, обслуживать их было нетрудно. Однако масса нового двигателя оставалась почти такой же, как и у паровой машины. Единица выработанной мощности двигателя (л. с. или кВт) обходилась в 7 раз дороже, чем у паровой машины. Только четверть теплоты сгоревшего газа совершала полезную работу, т. е. коэффициент полезного действия (КПД) двигателя составлял 0,04. Остальное уходило с отработавшими газами, тратилось на нагрев корпуса и отводилось в атмосферу. Когда частота вращения вала достигала 100 об/мин, зажигание действовало ненадежно, двигатель работал с перебоями. На охлаждение расходовалось до 120 (!) м3 воды в час. Температура газов доходила до 800 °C. Перегрев вызывал заедание золотника. Несгоревшие частицы смеси засоряли каналы впуска-выпуска.
Причина низкой производительности двигателя заключалась в самом принципе его действия. Давление воспламененной смеси не превышало 5 кг/см2, а к концу рабочего хода снижалось втрое. Простой расчет показывает, что одноцилиндровый двигатель с рабочим объемом 2 литра при таком давлении, частоте вращения вала 100 об/мин и КПД 0,04 развивал мощность не более 0,1 кВт. Другими словами, ленуаровский двигатель в тысячу раз менее производителен, чем двигатель современного автомобиля.
Сделать газовый двигатель более эффективным удалось в 1876 году коммерческому служащему из Кельна Николаю-Августу Отто (1832–1891) совместно с Евгением Лангеном (1833–1895).
Наблюдая работу газового двигателя, похожего на конструкцию Ленуара, Отто пришел к выводу, что сможет добиться его более производительной работы, если будет зажигать смесь не на середине хода поршня, а в его начале. Тогда давление газов при сгорании смеси действовало бы на поршень в течение всего его хода. Но как наполнить цилиндр смесью до начала хода? Отто попробовал следующее: вращая маховик вручную, он наполнил цилиндр и включил зажигание в тот момент, когда поршень вернулся в исходное положение. Маховик резко «взял» обороты, а до этого сгорание смеси давало ему лишь слабый толчок. Отто не придал значения тому, что смесь была сжата перед зажиганием, он считал улучшение процесса результатом продолжительного расширения смеси в процессе сгорания.
Изобретателю понадобилось 15 лет, чтобы сконструировать экономичный двигатель с КПД, достигающим 0,15. Двигатель назвали четырехтактным, так как процесс в нем совершался в течение четырех ходов поршня и, соответственно, двух оборотов коленчатого вала. Золотник в нужный момент открывал доступ в цилиндр от запальной камеры, где постоянно горел газ. Происходило зажигание смеси. Золотниковое распределение и зажигание горелкой не применяются в современных двигателях, но цикл Отто полностью сохранился до наших дней. По этому циклу работает подавляющее большинство автомобильных двигателей. Ниже приведено краткое, схематичное его описание.
При первом такте поршень удаляется от исходной «мертвой точки» – головки цилиндра, – создавая в нем разрежение, при этом засасывается приготовленная особым прибором (карбюратором) горючая смесь. Выпускное отверстие закрыто. Когда поршень достигает нижней «мертвой точки», закрывается и впускное отверстие. При втором такте закрыты оба отверстия. Поршень, толкаемый шатуном, идет вверх и сжимает смесь. Частицы топлива сближаются, смесь легче поддается воспламенению. Если объем цилиндра над поршнем (т. е. в камере сгорания) равен его рабочему объему (между «мертвыми точками»), то степень сжатия равна 2, как у ранних ДВС (т. е. вдвое больше атмосферного давления), а давление газов при их взрыве вчетверо больше атмосферного (у современных двигателей оно в 40–50 раз больше, чем у двигателя Отто). Третий такт – рабочий ход. В начале его происходит зажигание сжатой смеси. Движение поршня через кривошипно-шатунный механизм преобразуется во вращение коленчатого вала. Оба отверстия закрыты. Давление в цилиндре постепенно уменьшается до атмосферного. При четвертом такте маховик, получив импульс движения, продолжает вращаться, шатун толкает поршень и вытесняет отработавшие газы в атмосферу через открывшееся выпускное отверстие, впускное при этом остается закрытым.