19世纪内燃机的发明彻底改变了陆地、水面和空中的运输。尽管在现代社会中无处不在，发动机的运作仍然可能让人感到难以理解。在本文中，我想解释以下展示中所有基本发动机部件的功能。你可以拖动它，从其他角度观察：谈论机械设备而不形象化其运动是很难的，因此本文中的许多演示都是动画形式。默认情况下，所有动画都是启用的，但如果你觉得它们令人分心，或者如果你想节省能源，可以全局暂停它们。不过，如果你希望在阅读时让事物保持运动，你也可以全局取消暂停。像这样的发动机看起来可能很复杂，但我们将从基本原理开始构建它。实际上，我们将从一种生成旋转运动的更简单方式开始。曲柄我们来看一个简单的曲柄。它由一个手柄、一个曲柄臂和一个轴组成。当施加力量到手柄时，轴会旋转，我们可以通过观察附在其上的圆盘看到这一点：施加在距离轴的地方的力量会产生扭矩。我们越用力推手柄，轴上的扭矩就越大。这个曲柄机制正是将线性力转化为扭矩的方法，在手动咖啡研磨机或自行车上都是如此。用我们自己的肌肉去驱动某物是一回事，但建造发动机的整个目的就是避免手动劳动，让设备代替我们施加力量。要做到这一点，我们需要找到一个可靠的、容易控制的强大力量来源。谢天谢地，这种设备早在几百年前就被发明出来了——炮弹正好满足了我们的需求。在下面的演示中，你可以看到炮弹是如何从火炮中发射出来的。对角线表示一个横截面视图——它让我们能够看到在一个通常被遮挡的区域内部发生了什么：当火药点燃时，会迅速产生大量气体，将炮弹推入炮管。由于炮弹紧密适合内部它只能朝一个方向运动。尽管可靠且易于控制，但炮弹在推动曲柄时作用有限：我们只能完成一部分轴的旋转，而炮弹早已消失。然而，通过一些改进，我们可以以更显著的方式利用爆炸的推动力。首先，我们将用一个圆柱形的活塞替换炮弹，并在其中钻一个孔。接下来，我们将用一个销钉将一个能够在曲轴上自由摆动的杆附加到它上面：顾名思义，曲轴由旋转轴和施加力量的曲柄组成。将这个组件放入一个简化的炮壳（一个圆柱体）中，我们成功解决了炮弹逃逸的问题，因为活塞的向下运动受到限制，并且当曲轴继续转动时活塞将会返回向上：注意活塞现在有了它在圆柱体内可以达到的最小和最大位置。向上或向下在这段长度上一次运动称为一个冲程。如果我们现在触发爆炸，燃烧气体将推动活塞向下，这将转动曲轴：这仍然不是一个非常令人兴奋的机器，因为它只执行一次有用的转动工作。为了使其更实用，我们需要不断重复爆炸周期——我们必须不断加入新燃料、触发燃烧过程并排出废气。固体燃料如黑火药对自动化机器来说并不实用。处理流体形式的燃料要容易得多——其进气可以通过各种阀门控制。我们将通过在燃烧室顶部添加新开口来修改到目前为止构建的圆柱体：可能很难看到各种开口的布局，所以让我们看一下横截面视图：通过第一个大的弯曲开口，我们将提供汽油和空气的混合物，通过第二个开口我们将排出废气。这两个开口将由进气阀和排气阀保护。最后，为了点燃混合物，我们将使用由裸露的导线端产生的电火花。让我们看看所有部件是如何结合在一起的：我们现在准备好使用这台机器来做有用的工作。最初，我们将在活塞下行时打开进气阀，让含有燃料的空气进来，我用黄色表示了这一点。这是进气冲程：一旦活塞达到最低位置，进气阀关闭，活塞开始向回移动，从而压缩空气和燃料的混合物，增加燃烧的热效率。这是压缩冲程：电压通过导线的开口端流动，产生火花点燃空气与燃料的混合物。燃烧产生的膨胀气体推动活塞向下，给曲轴施加扭矩。这是动力