蒸汽机是利用气缸外的热，然后由热生成的蒸汽进入汽缸驱动活塞。人们曾经想到可以使某种无火焰的气体和空气的混合物在汽缸内发生反应，所燃烧产生的能量便可以直接驱动活塞，这就是内燃机，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。通过科学家们倾尽毕生心血，经过一代又一代的努力，人们终于研究出了内燃机，并且在这一领域内引发了一场变革，最终首先运用到了汽车上。（本帖文是根据本人的讲课课件改编，资料来自相关教材和网络搜索。）
蒸汽车出现后，人们并没有停止对汽车动力来源的探索。因为蒸汽汽车不仅体积庞大，而且使用性差，装在火车上还凑合，但如果作为机动性要求较高的道路行驶车辆，就显笨拙了。
蒸汽车
为了获取更灵巧，更方便，更经济的发动机，人们竞相探索其他动力来源。19世纪晚期，人们尝试着当时的各种能量来充当车辆动力。除了可以生产蒸汽的煤炭外，还有炸药、煤气、天然气等，甚至包括我们现在作为新能源汽车发展方向的电池。
这是一辆煤气汽车，车顶上的容器装的是煤气
1825年法国人阿拉戈应用法拉第理论，发明了感应电动机；
1859年法国人普兰特发明了二次的铅酸电池；
1882年法国人古斯塔夫·特鲁夫，应用当时盛行的马车与自行车改装世界上第一辆电动车，总重168公斤，时速14.5公里，开创了私人应用电动车的先河，这比1886年德国人卡尔.奔驰发明的世界上第一辆内燃机三轮汽车还要早四年。
1887年的纽约城甚至出现了一个电动出租车队，更有一辆外形像鱼雷的电动车在1889年创下了陆上世界纪录，达到109公里/小时，这是有史以来第一项汽车速度记录。
这辆外形像鱼雷的电动车在1889年创下了109公里/小时的陆上世界纪录
由于电池太重，且续航行驶里程较短，这些缺点其实至今存在，我们发展电动汽车时遇到的最大问题仍然是电池的重量和续航里程问题。
蒸汽机的燃料是在发动机外面燃烧，是将锅炉中的水加热产生蒸汽以推动活塞，进而驱动车轮前进，所以，蒸汽机也称为“外燃机”；内燃机，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。
1670年，荷兰的物理学家、数学家和天文学家惠更斯发明了采用火药在气缸内燃烧膨胀推动活塞做功的机械，即“内燃机”。用火药作燃料的火药发动机是现代内燃机原理的萌芽。
1794年 英国人斯垂特首次提出把燃料和空气混合制成混合气体以供燃烧的构想。
1796年 意大利科学家沃尔兹发明了世界上第一台蓄电池，这项发明为汽车的诞生和发展带来了历史性的转折。
1801年，法国化学家菲利普.勒本，采用煤干馏得到的煤气和氢气作燃料，制成了将煤气和氢气与空气混合后点燃产生膨胀力推动活塞的发动机，这项发明被誉为内燃机发展史上开拓性的一步。可惜的是，年仅37岁的勒本在参加当年拿破仑皇帝加冕典礼时被暗杀。这是工业革命史上的一次悲剧，否则内燃机的发明会提前许多年。
1824年，法国热力工程师萨迪·卡诺在《关于火力动力及其发生的内燃机考察》一书中，揭示了“卡诺循环”的学说。
卡诺循环
卡诺循环(Carnot cycle) 是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程。卡诺循环包括四个步骤： 等温膨胀，在这个过程中系统从环境中吸收热量； 绝热膨胀，在这个过程中系统对环境作功； 等温压缩，在这个过程中系统向环境中放出热量； 绝热压缩，系统恢复原来状态，在这个过程中系统对环境作负功。
卡诺循环是热学中一个非常漂亮的思想实验，巧妙地说明了热和功的转化过程，确定了热机的最大效率，奠定了热力学第二定律的基础：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引起任何其他变化。卡诺循环在理论上指出了提高热机效率的可靠途径，为后面发动机的研究做了理论的铺垫。
汽车发动机不是根据卡诺循环原理制造的，但热量的转换离不开卡诺循环原理。汽油机是根据等容加热循环（即奥拓循环）制造的，柴油机是根据等压加热循环（即狄塞尔循环）制造的。
我们进一步看看人类在内燃机发明所步履过的历程：
1838年 英国发明家亨纳特发明了世界第一台内燃机点火装置，该项发明被世人称之为“世界汽车发展史上的一场革命”。
1858年 法国工程师洛纳因发明了世界上第一只用陶瓷绝缘制成的电点火火花塞。
1859年 法国著名物理学家发明了铅酸蓄电池，为 汽车的用电创造了条件，被称之为“意义深远的发明”。
1862年，法国电器工程师莱诺创制成功了二冲程卧式内燃机。它以天然气为燃料，电火花点燃，转速为100转/小时。1867年，装有这种发动机的车辆在世界博览会上当众表演，深受赞许。可惜他后来放弃了研究且没有申请专利，否则“汽车之父”的美名可能会落在他的头上。这也许是汽车史上的一段遗憾！
在1862年，法国人德·罗沙在吸收了卡诺研究热力学时提到的一些内燃机基本原理的基础上，提出了四冲程内燃机工作原理。这个工作原理提出了取得最高效率和最佳经济性能所需要的条件：点火前要高压；燃气要迅速膨胀，达到最大膨胀比等。他还提出了实现这些条件的具体步骤，这就是把活塞运动分作四个冲程：活塞下移，进燃气；活塞上移，压缩燃气；点火，气体迅速燃烧膨胀，活塞下移做功；活塞上移排出废气。
尼古拉斯.奥托（Niklaus Otto）是德国近代的著名机械工程师，四冲程内燃机的发明者和推广者。
尼古拉斯.奥托（德国）
奥托提出了内燃机动力方式的四冲程原理：在煤气进入内燃机之前，先与空气混合成一种可燃性混合气体，然后进入气缸，在气缸内进行压缩，使其在这种提高了压力的可燃性混合气体在气缸内燃烧，使气缸内温度升高，而后，膨胀了的气体逐步减压到初始状态时的大气压力，并推动气阀运动，由气阀运动产生的能量推动机车的运动，最后，汽缸排除所有的气体。这是对四冲程内燃机原理和特征的第一次简单而清楚的概括。后来，人们把内燃机的四冲程循环称之为“奥托循环”。
内燃机工作演示：左边是四冲程汽油机，右边是四冲程柴油机。
内燃机工作演示：左边是四冲程汽油机
奥托循环的一个周期是由吸气过程、压缩过程、膨胀做功过程和排气过程这四个冲程构成。
奥托循环
吸气过程：活塞向下运动使燃料与空气的混合体通过气门进入气缸；
压缩过程：关闭进气门，活塞向上运动压缩混合气体；
膨胀做功过程：在接近压缩冲程顶点时由火花塞点燃混合气体，燃烧空气爆炸所产生的推力迫使活塞向下运动；
排气过程：完成做功冲程，活塞上行最后将燃烧过的气体通过排气门排出气缸。
1876年，奥托根据托德·罗沙的四冲程内燃机工作原理设计并制造出世界上第一台以煤气为燃料的火花点火式四冲程内燃机，在1878年的巴黎万国博览会上受到极高的评价。这种发动机体积小，重量轻，消耗的煤气少，每分钟可达200转。
世界上第一台以煤气为燃料的火花点火式四冲程内燃机
1886年，德国发明家奥托作出了一项惊人的声明：取消自己获得的四冲程内燃机的专利。四冲程内燃机是在当时大气式发动机基础上发展起来的。这种新型内燃机在1878年巴黎万国博览会上赢得了工程技术界的普遍称赞，认为它是“自瓦特以来在动力方面取得的最大成就”。
那么，奥托为什么要作出这样的决定呢？原来，一个偶然的机会，他看到了法国工程师罗沙写的一本小册子，书中比较完整地提出了四冲程内燃机的原理。由于这本小册子是在奥托发明四冲程内燃机之前出版的，出于对别人的尊重，他便毅然决定放弃已获10年之久的专利权。奥托的高尚品德博得了人们的高度赞誉。同时，大家认为虽然是罗沙较早地阐述了四冲程内燃机的原理，但是，第一个研制出这种内燃机的人却是奥托，所以后来人们仍然一直把四冲程循环称为奥托循环原理。
1876年，奥托终于推出一款可以使用汽油的发动机，从此开创了现代汽车用发动机的先河。1891年，奥托离开了人世，终年59岁。现在的内燃机早已今非昔比，但他们依然按照奥拓的原理在运转着。
狄赛尔与柴油机
鲁道夫.狄赛尔（Rudolf Diesel）是柴油机的发明人，被誉为柴油机之父。德语的柴油机一词，就是从他的名字而来的。
鲁道夫.狄赛尔（德国）
针对蒸汽机效率低的弱点，狄塞尔专注于开发高效率的内燃机。当时尼古拉斯．奥托发明的点火式内燃机已较成熟，但那时奥托发动机的燃料是煤气，储存、携带均不方便，效率也受到影响。19世纪末，石油产品在欧洲极为罕见，于是狄塞尔决定选用植物油来解决机器的燃料问题（他用于实验的是花生油）。因为植物油点火性能不佳，无法套用奥托内燃机的结构。狄塞尔决定另起炉灶，提高内燃机的压缩比，利用压缩产生的高温高压点燃油料。1892年，狄赛尔提出“在空气中注入燃料，通过压缩，空气温度升高，可使喷射在空气中的燃料自行点火后来，这种压燃式发动机循环便被称为“狄塞尔循环”。
狄塞尔循环
内燃机工作演示：左边是四冲程汽油机，右边是四冲程柴油机。
内燃机工作演示：右边是四冲程柴油机
狄塞尔的发明道路上困难重重。实验证明，植物油燃烧不稳定，成本也太高，难以承担狄塞尔的“重任”。好在当时石油制品在欧洲逐渐普及，狄塞尔选择了本来用于取暖的重馏分柴油作为机器的燃料。
压燃式发动机的结构强度始终是个难题。一次实验中，汽缸上的零件像炮弹碎片一样四处飞散，差点儿造成人员伤亡。实验不顺利，狄塞尔的资金也渐渐耗尽，他不得不回到制冷机工厂谋生。但狄塞尔没有向困难屈服，他利用业余时间继续实验，一步步完善自己的机器。1892年，狄塞尔终于能够向全世界展示自己的成果：一台实用的柴油动力压燃式发动机。这种发动机功率大，油耗低，可使用劣质燃油，显示出辉煌的发展前景。
狄赛尔发明的柴油动力压燃式发动机
狄赛尔柴油机专利证书
狄赛尔柴油机专利证书
狄塞尔随即投入到柴油机生产的商业冒险中,不幸的是，作为优秀的工程师，狄塞尔缺乏商业头脑。他在经济上渐渐陷入困境。1913年狄塞尔已处于破产的边缘。这一年夏天，狄塞尔在乘坐英吉利海峡的渡轮时，突然失踪，据认为是投海自杀。但狄塞尔发明的柴油机，在汽车、船舶和整个工业领域得到越来越广泛的发展。
鲁道夫.狄赛尔和“人类最伟大的发明”金银纪念币
