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發動機使用活塞和汽缸，因此它們產生的動力是連續的來回，推拉或往復的運動。許多機器（幾乎所有車輛）都依賴于輪子的轉動-換句話說，是旋轉運動。其功用是將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，同時將作用于活塞上的力轉變為曲軸對外輸出的轉矩，以驅動汽車車輪轉動。曲柄連桿機構由活塞組、連桿組和曲軸、飛輪組等零部件組成。



  將往復運動轉換為旋轉運動的另一種方法是使用齒輪。這就是蘇格蘭出色的工程師 詹姆斯·瓦特（James Watt，1736–1819）在1781年決定做的，當時他發現，在改進的蒸汽機設計中需要使用的曲柄機構實際上已經獲得了專利保護。瓦特的設計被稱為太陽齒輪和行星齒輪，由兩個或多個齒輪組成，其中一個齒輪（行星齒輪）被活塞桿上下推動，圍繞另一個齒輪（太陽齒輪）運動并引起該齒輪旋轉。



  一些發動機和機器需要將旋轉運動轉換成往復運動。為此，您需要一種與曲軸相反的方式工作，即凸輪。甲凸輪是一個非圓形（通常蛋形）輪，其具有類似棒擱置在其上。當車軸轉動車輪時，車輪使桿向上和向下上升。試想一下一輛車輪呈蛋形的汽車。在行駛過程中，車輪（凸輪）照常轉動，但車身同時上下彈跳，因此旋轉運動會在乘客中產生往復運動！是不是很奇怪？但這種齒輪也有特殊的用處。

  凸輪可用于各種機器。電動牙刷中有一個凸輪， 隨著內部的電動機旋轉，牙刷可以前后移動。



  引擎的效率如何？



  值得注意的是卡諾得出的結論：發動機（的效率取決于其運行的最高和最低溫度。用數學術語來說，卡諾氏發動機在Tmax（最高溫度）和Tmin（最低溫度）之間運行的效率為：



  （Tmax-Tmin）/ Tmax



  兩種溫度均以開爾文（K）為單位。在循環開始時提高氣缸內流體的溫度使其效率更高。在循環的相反極端降低溫度也會使其效率更高。換句話說，真正高效的發動機在最大可能的溫差之間運行。換句話說，我們希望Tmax盡可能高，而Tmin盡可能低。這就是為什么之類的蒸汽渦輪機在電廠必須使用冷卻塔盡可能地冷卻蒸汽：這就是它們從蒸汽中獲取最大能量并產生最大電力的方式。在現實世界中，諸如汽車和飛機之類的移動車輛顯然沒有冷卻塔之類的東西，并且很難實現較低的Tmin溫度，因此提高Tmax是我們通常重點關注的問題。汽車，卡車，噴氣式飛機和太空火箭中的真實發動機在極高的溫度下工作（因此，它們必須由合金和陶瓷等高溫材料制成）。

  引擎類型：



  外燃發動機



  最早的蒸汽機是覆蓋整個建筑物的巨型機器，通常用于從淹沒的礦井中抽水。他們在18世紀初期由英國人Thomas Newcomen（1663 / 4–1729）率先開發，它們只有一個汽缸和一個活塞，活塞與來回搖擺的大橫梁相連。通常，將重梁向下傾斜，以使活塞在氣缸中處于較高位置。將蒸汽泵入鋼瓶中，然后將水噴入，冷卻蒸汽，產生部分真空，并使光束反向傾斜，然后再重復該過程。梁式發動機是一項重要的技術進步，但它們太大，太慢且效率低下，無法為工廠的機器和火車提供動力。



  蒸汽機



  在1760年代，詹姆斯·瓦特（James Watt）大大改進了紐科門的蒸汽機，使其更小，更高效，更強大，并有效地將蒸汽機轉變為更實用，更實惠的機器。瓦特的工作導致了可以在工廠中使用的固定式蒸汽機以及可以為蒸汽機車提供動力的緊湊型移動式發動機。



  斯特林發動機



  并非所有的外部內燃機都巨大且效率低下。蘇格蘭神職人員羅伯特·斯特林（Robert Stirling，1790–1878年）發明了一種非常聰明的發動機，該發動機具有兩個氣缸，兩個氣缸帶有活塞，為兩個驅動單個車輪的曲柄提供動力。一個鋼瓶保持永久高溫（由外部能源加熱，從煤火到地熱能源均可），另一個鋼瓶保持永久低溫。發動機的工作原理是通過一個稱為蓄熱器的裝置在汽缸之間來回往復輸送相同體積的氣體（永久密封在發動機內部）。這有助于保留能量并大大提高發動機的效率。斯特林發動機雖然總是由外部熱源提供動力，但不一定涉及燃燒。在我們有關斯特林發動機的主要文章中找到更多信息。



  內燃發動機



  在19世紀中葉，包括法國人約瑟夫·埃蒂安·萊諾瓦（JosephétienneLenoir，1822–1900年）和德國尼古拉斯·奧托（Nikolaus Otto，1832年至1891年）等幾位歐洲工程師完善了燃燒汽油的內燃機。對于卡爾·奔馳（1844–1929）來說，將這些發動機中的一個連接到三輪車上并制造出世界上第一臺汽油動力汽車僅一步之遙。



  柴油機



  在19世紀后期，另一位德國工程師Rudolf Diesel（1858–1913年）意識到，他可以制造出一種功能更強大的內燃機，該內燃機可以消耗各種不同的燃料。與汽油發動機不同，柴油發動機對燃料的壓縮更多，因此它自發爆炸成火焰并釋放出鎖定在其中的熱能。如今，柴油發動機仍然是驅動重型車輛（例如卡車，輪船和建筑機械）以及許多汽車的首選機器。



  旋轉式發動機



  內燃機的缺點之一是它們需要氣缸，活塞和旋轉的曲軸來利用其動力：氣缸是固定的，而活塞和曲軸卻在不斷移動。旋轉式發動機是與內燃機截然不同的設計，其中“汽缸”（并非總是呈圓柱狀）圍繞有效的固定曲軸旋轉。盡管旋轉發動機的歷史可以追溯到19世紀，但最著名的設計也許是相對現代的Wankel旋轉發動機，尤其是在某些日本馬自達汽車中使用。



  發動機的最大效率是多少？



  熱力發動機的效率是否有限制？是! 最小值永遠不能小于零（絕對為零），因此，根據上面的等式，沒有任何一個發動機的效率可以超過Tmax / Tmax = 1，這與100％的效率相同，而大多數實際的發動機不會到達那附近。如果您的蒸汽機在50°C到100°C之間運行，則效率約為13％。為了使效率達到100％，您必須將蒸汽冷卻至絕對零（?273°C或0K），這顯然是不可能的。即使您可以將其冷卻至凍結（0°C或273K），您仍然只能管理27％的效率。



  這也有助于我們理解為什么后來的蒸汽機（由Richard Trevithick和Oliver Evans等工程師率先使用）使用更高的壓力比。托馬斯·紐科門（Thomas Newcomen）等人產生的蒸汽更多，高壓發動機更小，更輕，并且更易于安裝在行駛中的車輛上，但它們的效率也更高。在更高的壓力下，水在更高的溫度下會沸騰，這給我們帶來了更高的效率。



  在兩倍大氣壓下，水在約120°C（393K）時沸騰，在最低溫度為0°C時效率為30％。在四倍大氣壓下，沸騰溫度為143°C（417K），效率接近35％。這是一個很大的進步，但距離100％仍有很長的路要走。發電廠的蒸汽輪機使用的壓力確實很高（通常是大氣壓的200倍以上）。在200個大氣壓下，水在約365°C（?640K）的溫度下沸騰，從而產生最大的 如果我們也可以將水冷卻至凍結狀態（并且沒有其他熱量損失或效率低下），則理論效率約為56％。即使在那些極端和理想的條件下，我們離100％的效率還有很長的路要走。真正的渦輪機更有可能達到35％至45％。制造高效的發動機比看起來困難得多！