تصف دورة أوتو Otto cycle الشكل (4.4) سلسلة الأحداث التي تحصل في محرك رباعي الأشواط يعمل بالبنزين تشابه هذه الدورة دورة كارنو Carnot الشهيرة، لكنها لا تماثلها.

تمثل الوضعية a على مخطط الضغط والحجم حالة أسطوانة المحرك في أدنى شوط سحب الوقود. وعندما ترتفع الأسطوانة بسرعة، ينضغط مزيج الوقود والمؤكسد مولّداً حرارة. ونتيجة لعدم وجود وقت كاف لمبادلة الحرارة، تُعتبر هذه السيرورة حافظة للحرارة (كظومة)، أي لا تدخل إلى المنظومة حرارة أو تغادرها. وهذا ممثل بالخط ab. وفي الوضعية b، تُشعل شرارة مزيج الوقود فيحصل احتراق آني تقريباً لمحتوى الأسطوانة. وفي هذه المدة القصيرة التي تسبق حركة الأسطوانة، يحصل ارتفاع إضافي في درجة الحرارة عند حجم ثابت وفقاً للخط .bc. ونتيجة للاحتراق الانفجاري، بعد مدة وجيزة، تتحرك الأسطوانة إلى الأسفل في شوط القوة. وهنا أيضاً ليس ثمة سوى مبادلة ضئيلة للحرارة، وتتمثل السيرورة حينئذ بالمنحني cd.

عند هذه النقطة، يُفتح صمام العادم ويُطرح الغاز الحار (المسار 'da)، ويتبع ذلك سحب لغازات باردة جديدة (المسار) a'a) تمثل هذه السلسلة المعقدة من العمليات بصيغة مبسطة بالخط da. ثم تتكرر الدورة.

يُعطى مردود محرك أوتو بالعلاقة:

في هذه العلاقة _cycle W هو العمل الذي يُنتجه المحرك، وQ_bc هي الحرارة المتولدة في الأسطوانة في أثناء الاحتراق والنسبة المعطاة في الطرف الأيسر من المعادلة تعطي المردود الترموديناميكي للمحرك. و R هو ثابت الغاز، و _vC هي السعة الحرارية للغاز عند حجم .ثابت و _cT و _dT, هما درجتا حرارة الغاز عند بداية ونهاية شوط القوة، و _cV و _dV هما الحجمان الموافقان لبداية ذلك الشوط ونهايته. ونسبة الحجم عندما تكون الاسطوانة في الأسفل إلى الحجم عندما تكون في الأعلى تساوي نسبة الضغط:

إن ثمة مغزى بيئياً لهذه الحسابات الترموديناميكية. يمكن أن نرى من المعادلة 51.4 أن مردود الوقود الجيد أي القيمة الكبيرة لـ Q_bc/ W cycle في محرك الاحتراق الداخلي يتطلب محركاً مصمماً بحيث يتصف بنسبة ضغط عالية . إلا أن نسب الضغط العالية r_c تؤدي إلى طقطقة المحرك التي يجب التخلص منها بإحدى طريقتين.

الطريقة الأولى هي زيادة رقم أوكتان البنزين تنزع المواد الهدروكربونية الخطية السلسلة إلى إحداث طقطقة عند نسب ضغط منخفضة نسبياً، في حين أن المواد الهدروكربونية العطرية والمتفرعة السلسلة تحترق بهدوء حتى عند نسب ضغط عالية إلى

حد ما، لذا ابتكر سلّم تجريبي، اعتماداً على مزيج من كثير جزيئات الهبتان n-heptane وبنتان ثلاثي الميثيل 2,2,4trimethylpentane  2,2,4(الإيزو أوكتان isooctane)، ترسم فيه نسبة الضغط الموافقة لحدوث مستوى معين من الطقطقة بدلالة النسبة المئوية للإيزو أوكتان في المزيج. فرقم الأوكتان 87 يوافق نسبة إيزو أوكتان إلى كثير جزيئات الهبتان تساوي 13:87. والعينة الفعلية من البنزين هي مزيج من طيف واسع من المواد الهدروكربونية، وإذا كان رقم أوكتانها مساوياً ،87، فإن ذلك يعني أنها تسلك سلوك مزيج له التركيب المذكور. وتوافق أرقام الأوكتان التي هي أكبر مزائج جزيئات عطرية غنية بالأكسجين ذات سلاسل أكثر تفرعاً وتزداد أرقام الأوكتان بتضمين أجناس تحتوي على الأكسجين من قبيل الإيثانول أو إثر ثلاثي بوتيل الميثيل methyl tertiary butyl ether MTBE في مزيج البنزين. إلا أن إنتاج هذه المركبات غال نسبياً.

والطريقة الثانية لزيادة رقم أوكتان البنزين بنجاح هي إضافة مقدار صغير من مادة ملائمة إلى الوقود.

------------------------------------------------------

⁴الطقطقة هي ظاهرة يحصل فيها اشتعال مبكر في الأسطوانة مؤدياً إلى إصدار أصوات طرق ونمط عمل ضار بالمحرك. وتعتمد هذه الظاهرة على تصميم المحرك وعلى نوع الوقود.

ومن أمثلة هذه المادة رصاص رباعي الإيثيل (tetraethyle lead (C₂H₅ .

إن إضافة هذه المادة، بمعدل يساوي نحو 1gL^-1 إلى البنزين، تُحسن كثيراً خواص منع الطقطقة بزيادة رقم أوكتان الوقود، وقد استعملت على نطاق واسع حتى عهد قريب لتحسين أداء المحركات. فالرصاص المضاف يتفاعل مع المركبات المعالجة بالهالوجين (التي تُضاف إلى الوقود (أيضاً لتكوين هاليدات رصاص (lead halides) متنوعة على درجة من التطاير كافية لانبعاثها ضمن نواتج الاحتراق الغازية وتكاثفها في الجو المحيط لتكون هبابا يترسب على الخضراوات والتربة والماء. لذا فإن التشريعات في كثير من الدول تفرض عدم استعمال رصاص رباعي الإيثيل لهذا الغرض إلا أن الدول المنخفضة الدخل ليست جميعها قادرة على إصدار تشريعات من هذا القبيل، ولذا يستمر انبعاث الرصاص من السيارات فيها. ففي نيجيريا، وهي دولة تمتلك موارد نفطية كبرى عالية الجودة، كانت مواصفات رصاص رباعي الإيثيل في عام 1990 في البنزين تساويgL^-1 0.74  . لقد كانت نيجيريا في عام 1985 تستهلك 20 مليون ليتر من البنزين يومياً، وهذا يكافئ طرح 5400 طن من تلك المادة في كافة أنحاء البلاد، وخاصة في المناطق القريبة من الحركة المرورية ومعدلات توضع تلك المادة عالية بالقرب من مدن من قبيل لاغوس، حيث يوجد أكثر من مليون آلية وتنخفض سرعة السيارات الوسطى في أثناء ساعة الازدحام إلى 10 كيلو متر في الساعة. وتحصل تراكيز زائدة لأول أكسيد الكربون والضباب الدخاني الكثيف على نحو متكرر في تلك المدينة أيضاً.

لكن فيما بعد جرى تطوير مركبات أخرى لإضافتها إلى البنزين. وأصبح ثلاثي كربونيل منغنيز خماسي دينيل الميثيل الدوري Methylryclopentadienyl

₃(manganese tricarbonyl CH₃(C₅H₄)Mn(CO المعروف بالـ MMT، متوفراً ويُضاف بنسبة تساوي 0.1 إلى البنزين.

يتصف الـ MMT بأنه سام، إلا أنه يحترق كلياً في المحرك، والنواتج الوحيدة الهامة المنبعثة بسببه هي Mn ، وأكاسيد المنغنيز الأخرى. يُعتبر المنغنيز مغذِّياً أساسياً للنباتات والحيوانات، لكن الجرعات الكبيرة منه سامة وتؤدي إلى اضطرابات عصبية. إلا أنه يُدَّعى أن النواتج الصلبة المنبعثة من الوقود لا تزيد كثيراً من مقدار المنغنيز الذي تتناوله النباتات والحيوانات في الحالات العادية.

من الواضح أن ثمة حلولاً تقنية راسخة لمسألة تقييم الأوكتان ونسبة الضغط والمردود، إلا أن المشكلة ما زالت قائمة لأسباب اقتصادية يُضاف إلى ذلك أن الحلول التقنية لانبعاث أول أكسيد الكربون والكيماويات المولدة للضباب الدخاني هي حلول جزئية. لذا يجري السعي نحو تقانات أعلى كفاءة ومقدرة على إزالة أول أكسيد الكربون وأكسيد النتروجين والمواد الهدروكربونية غير المحترقة من الغازات المطروحة.