Qu'un moteur soit à deux ou à quatre temps et que l'allumage soit commandé ou non, il ne suit pas un cycle thermodynamique mais un cycle mécanique. On essaie cependant d'estimer l'efficacité thermique par comparaison avec des cycles thermodynamiques idéaux.

Un modèle souvent utilisé pour les moteurs à essence est le cycle d'Otto :
- compression isentropique
- ajout de chaleur à iso-volume
- détente isentropique
- perte de chaleur à iso-volume.
On peut montrer que le rendement d'un tel cycle ne dépend que du taux de compression t, mais pas des températures atteintes pendant le cycle : e_Otto = 1-t^1-\gamma, où \gamma est le rapport des capacités calorifiques spécifiques (ou chaleurs massiques) c_p/c_v (\gamma = 1.4 pour l'air).

Le cycle Diesel a ceci de différent avec le cycle d'Otto que l'on considère que l'ajout de chaleur ne se fait pas à iso-volume mais à iso-pression. Si, lors de cette phase d'ajout de chaleur, le volume est multiplié par un facteur k (k>1), on peut montrer que l'efficacité du cycle Diesel est :

e = 1-t^1-\gamma (k^\gamma-1)/[\gamma(k-1)]

Comme k > 1, l'efficacité d'un cycle Diesel est inférieure à celle d'un cycle Otto pour un même taux de compression. Mais comme le taux de compression est généralement plus élevé, l'efficacité est souvent meilleure. On constate par ailleurs que lorsque k augmente, l'efficacité diminue ; il est donc important de garder un k aussi proche que possible de l'unité, ce qui signifie que la combustion doit se dérouler le plus rapidement possible (pour que l'augmentation de volume pendant l'apport de chaleur soit réduite).

Un vrai cycle mécanique d'un moteur à quatre temps présente des différences considérables avec les modèles élémentaires qui viennent d'être présentés :
- les processus ne sont pas complètement réversibles
- le mélange ne se comporte pas comme un gaz parfait de chaleur spécifique constante
- la quantité d'air n'est pas fixe, puisqu'il y a des phases d'admission et d'échappement
- l'apport de chaleur ne vient pas de l'extérieur, puisque la combustion est "interne"

Un cycle réel de moteur à quatre temps ressemble approximativement à ce qui suit :

L'écart entre les phases d'admission et d'échappement est ici nettement exagéré par souci de clarté. A charge partielle, la pression peut descendre à 70 kPa lors de l'admission, alors qu'elle est de l'ordre de 120 kPa lors de l'échappement. L'écart est dont d'environ 50 kPa. A pleine charge, la pression lors de l'échappement augmente un peu, mais pas dans les mêmes proportions que la pression lors de l'admission. L'écart se réduit alors à environ 40 kPa.
Si l'on ramène ceci aux 5 MPa de pression maxi obtenus à pleine charge en fin de compression, cette différence ne représente qu'un pourcentage infime.
Au ralenti en revanche, l'écart peut atteindre 80 kPa, alors que la pression de combustion maxi peut descendre jusqu'à 235 kPa, soit 135 kPa au-dessus de la pression atmosphérique. Le ratio atteint donc 60 %, ce qui signifie que ces pertes sont alors très significatives. 

Remarques

L'efficacité d'un moteur peut être définie, de manière arbitraire mais pratique, par : e = W / - /\H, où W est le travail fourni et /\H est la variation d'enthalpie lors de la combustion. Pour la réaction C+O2 => CO2, on a par exemple -/\H = 32.77 MJ par kilo de C.

Une quantité encore plus intéressante pour le concepteur d'un moteur est la consommation spécifique c_s = d_mc / P, où d_mc est le débit massique de carburant et P la puissance. On constate que cette consommation spécifique est inversement proportionnelle à l'efficacité définie ci-dessus, puisque -e./\H = 1 / d_mc.

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