چرخه اتو ایده‌آل از چهار فرآیند تشکیل شده که در نمودارهای P-V و T-s به‌صورت زیر نمایش داده می‌شود:

۱→۲: تراکم آدیاباتیک برگشت‌پذیر (Isentropic Compression) پیستون از نقطه مرگ پایین (Bottom Dead Center – BDC) به نقطه مرگ بالا (Top Dead Center – TDC) حرکت می‌کند. سوپاپ‌های ورودی و خروجی بسته هستند. حجم از V₁ به V₂ کاهش می‌یابد و نسبت تراکم r = V₁/V₂ معمولاً بین ۸:۱ تا ۱۲:۱ (و در موتورهای مدرن تا ۱۴:۱) است. رابطه‌های کلیدی: T₂ = T₁ × r^(γ-۱) P₂ = P₁ × r^γ کار تراکم: W₁₂ = Cv (T₂ – T₁) (منفی، زیرا کار به سیستم وارد می‌شود)

۲→۳: افزودن حرارت در حجم ثابت (Constant-Volume Heat Addition) در لحظه TDC، جرقه شمع باعث احتراق تقریباً لحظه‌ای مخلوط همگن هوا و سوخت می‌شود. حجم ثابت می‌ماند، اما فشار و دما به شدت افزایش می‌یابد. Q_in = m × Cv × (T₃ – T₂) در موتورهای واقعی، مدت‌زمان احتراق حدود ۲۰ تا ۴۰ درجه میل‌لنگ طول می‌کشد و حداکثر فشار به ۵۰ تا ۱۰۰ بار می‌رسد.

۳→۴: انبساط آدیاباتیک برگشت‌پذیر (Isentropic Expansion) گازهای داغ با فشار بالا پیستون را به سمت پایین می‌رانند و کار مفید تولید می‌کنند. T₄ = T₃ / r^(γ-۱) کار انبساط: W₃₄ = Cv (T₃ – T₄) (مثبت)

۴→۱: تخلیه حرارت در حجم ثابت (Constant-Volume Heat Rejection) در لحظه BDC، سوپاپ خروجی باز می‌شود و فشار به‌طور ناگهانی به فشار اتمسفری می‌رسد (در مدل ایده‌آل). حرارت به محیط دفع می‌شود. Q_out = Cv (T₄ – T₁)

کار خالص چرخه: W_net = Q_in – |Q_out| کارایی حرارتی ایده‌آل: η_th = ۱ – (T₁/T₂) = ۱ – ۱/r^(γ-۱)