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동력원으로 증기기관을 대신할 수 있는 최초의 실용적인 4행정 내연기관을 개발했다. 1861년 가솔린 기관을 처음으로 만들었으며, 3년 후 독일의 실업가 오이젠 랑겐과 동업하여 1867년의 파리 박람회에서 금메달을 받은 개량된 기관을 만들었다.

1876년 오토는 1회의 폭발에 대해 피스톤 행정이 4번인 4행정 내연기관을 제작했다. 4행정 사이클은 프랑스의 공학자 알퐁스 보드 로샤가 1862년에 특허를 냈지만, 오토가 이 원리를 바탕으로 하여 처음으로 기관을 만들었기 때문에 보통 '오토 사이클'로 알려져 있다. 신뢰성과 효율이 높고 비교적 조용했기 때문에 오토가 만든 기관은 즉시 성공했다. 그뒤 10년 동안 3만 대 이상의 기관을 만들었지만, 1886년 보 드 로샤의 특허가 우선권을 인정받자 오토의 특허는 취소되었다.