Почти на всех современных легковых, грузовых автомобилях и мотоциклах работает цилиндр четырехтактного поршневого двигателя. Коленчатый вал вращается в главных подшипниках и имеет смещенную кривошипную ось. На кривошипе находится шатун, другой конец которого прикреплен к поршню. Поршень плотно прилегает внутри цилиндра, так что вращение коленчатого вала заставляет шатун приводить поршень в движение: вверх и вниз в цилиндре. Таким образом, шатун преобразует вращательное движение коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня в его цилиндре. Поршень эффективно уплотнен с цилиндром двумя или более поршневыми кольцами.
Конец цилиндра над поршнем закрыт крышкой цилиндра, в которую встроены клапаны, которые могут открываться и закрываться, такие детали имеют и поршневые ямз. В простейшем случае есть два клапана — один впускной клапан для впуска свежей топливно-воздушной смеси в цилиндр и один выпускной клапан для выпуска отработанного газа сгорания из цилиндра. Другой конец цилиндра открыт, чтобы шатун мог выполнять свою работу.
Тепловые двигатели работают по простой концепции: когда мы нагреваем газ (например, воздух) в герметичном объеме, его давление возрастает. Если мы дадим этому растущему давлению газа что-то подвижное, на что можно будет протолкнуться, мы сможем получить механическую работу. В случае поршневого двигателя запечатанный объем — это объем, захваченный в цилиндре между подвижным поршнем и закрытой головкой цилиндров. Если мы бросим эту сборку в бак с кипящей водой, когда тепло достигнет воздуха, захваченного в цилиндре, его температура и давление будут расти, отталкивая поршень от головки цилиндра. Хорошая идея, насколько это возможно, но как мы можем использовать ее, чтобы добраться домой на День Благодарения?
Нам нужен способ быстрого повторения этого процесса нагрева захваченного объема газа для получения механической энергии. Нам нужен энергетический цикл, этапы которого можно повторять снова и снова. Один из возможных циклов состоит в том, чтобы поочередно погружать наш поршень и цилиндр, сначала в кипящую воду, а затем в ледяную воду, чередуя взад и вперед, заставляя поршень перемещаться вниз по цилиндру в горячей кипящей воде и поднимать цилиндр вверх в холодной воде. вода со льдом. Это будет медленно и неэффективно, потому что требуется много времени, чтобы нагреть и охладить все эти металлические детали, когда все, что нам нужно, — это газ внутри цилиндра.
Очевидный способ очень быстрого нагревания объема воздуха — это смешать некоторое количество топлива с этим воздухом и зажечь его. Если мы посмотрим на это, то обнаружим, что сжигание химически правильной смеси бензина и воздуха внутри герметичного объема приводит к тому, что его давление возрастает примерно в семь раз по сравнению с первоначальным давлением. Теперь мы говорим — мы еще можем добраться до Дня Благодарения. Но после того, как топливо и воздух сожжены, как мы можем повторить процесс? Как избавиться от сгоревших газов и заменить их свежей смесью? Мы продумываем это и придумываем необходимые шаги.