เครื่องยนต์บรรยากาศถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยโทมัส นิวโคเมนในปี ค.ศ. 1712 และบางครั้งก็ถูกเรียกว่าเครื่องยนต์ไฟนิวโคเมน (ดูด้านล่าง) หรือเครื่องยนต์นิวโคเมนเครื่องยนต์ทำงานโดยการควบแน่นไอน้ำที่ถูกดูดเข้าไปในกระบอกสูบ ทำให้เกิดสุญญากาศบางส่วนซึ่งช่วยให้ความดันบรรยากาศดันลูกสูบเข้าไปในกระบอกสูบ มีความสำคัญในฐานะอุปกรณ์ใช้งานได้จริงชิ้นแรกที่นำไอน้ำมาใช้ในการผลิตงานเชิงกล [ ^{1 ] [ 2 ] เครื่องยนต์} นิวโคเมนถูกนำไปใช้ทั่วสหราชอาณาจักรและยุโรป โดยส่วนใหญ่ใช้ในการสูบน้ำออกจากเหมืองมีการสร้างเครื่องยนต์หลายร้อยเครื่องในช่วงศตวรรษที่ 18 การออกแบบเครื่องยนต์ในภายหลังของเจมส์ วัตต์เป็นรุ่นปรับปรุงของเครื่องยนต์นิวโคเมนซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง เป็นสองเท่าโดย ประมาณ เครื่องยนต์บรรยากาศหลายเครื่องถูกดัดแปลงเป็นแบบของวัตต์ ด้วยเหตุนี้ ปัจจุบันวัตต์จึงเป็นที่รู้จักมากกว่านิวโคเมนในแง่ของต้นกำเนิดของเครื่องยนต์ไอน้ำ

ก่อนหน้า Newcomen มีการสร้างอุปกรณ์ ไอน้ำขนาดเล็กหลายชนิด แต่ส่วนใหญ่เป็นเพียงสิ่งประดิษฐ์^{[ 3 ]}ประมาณปี ค.ศ. 1600 นักทดลองหลายคนใช้ไอน้ำในการขับเคลื่อนน้ำพุ ขนาดเล็ก ที่ทำงานคล้ายกับเครื่องชงกาแฟขั้นแรก เติมน้ำลงในภาชนะผ่านท่อที่ยื่นผ่านด้านบนของภาชนะลงไปเกือบถึงด้านล่าง ปลายท่อจะจุ่มอยู่ในน้ำ ทำให้ภาชนะปิดสนิท จากนั้นจึงให้ความร้อนแก่ภาชนะจนน้ำเดือด ไอน้ำที่เกิดขึ้นจะเพิ่มแรงดันในภาชนะ แต่ท่อด้านในซึ่งจุ่มอยู่ในของเหลวที่ด้านล่างและไม่มีการปิดผนึกที่ด้านบน จะยังคงมีแรงดันต่ำกว่า ไอน้ำที่ขยายตัวจะดันน้ำที่ด้านล่างของภาชนะขึ้นไปในท่อและพุ่งออกมาจากหัวฉีดด้านบน อุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพจำกัด แต่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของหลักการ

ในปี ค.ศ. 1606 ชาวสเปนJerónimo de Ayanz y Beaumontได้สาธิตและได้รับสิทธิบัตรสำหรับปั๊มน้ำพลังไอน้ำ ปั๊มดังกล่าวถูกนำไปใช้ในการระบายน้ำออกจากเหมืองที่น้ำท่วมในเกาะ กัวดาลคาแนล ประเทศสเปน ได้สำเร็จ ^{[ 4 ]}

ในปี ค.ศ. 1662 เอ็ดเวิร์ด ซอมเมอร์เซ็ต มาร์ควิสแห่งวูสเตอร์คนที่ 2ได้ตีพิมพ์หนังสือที่มีแนวคิดหลายอย่างที่เขาได้ทำการวิจัย^{[ 5 ]}หนึ่งในนั้นคือปั๊มไอน้ำสำหรับจ่ายน้ำให้กับน้ำพุ โดยอุปกรณ์นี้ใช้แรงดันสุญญากาศ บางส่วน และแรงดันไอน้ำสลับกัน ภาชนะสองใบจะถูกเติมด้วยไอน้ำสลับกัน จากนั้นฉีดพ่นด้วยน้ำเย็นทำให้ไอน้ำภายในควบแน่น ซึ่งจะทำให้เกิดสุญญากาศบางส่วนที่ดึงน้ำผ่านท่อจากบ่อน้ำขึ้นไปยังภาชนะ จากนั้นไอน้ำชุดใหม่ที่มีแรงดันจะดันน้ำจากภาชนะขึ้นไปตามท่ออีกท่อหนึ่งไปยังถังพักน้ำระดับสูงกว่า ก่อนที่ไอน้ำจะควบแน่นและวงจรจะเริ่มต้นใหม่ การทำงานสลับกันของภาชนะทั้งสองจะช่วยเพิ่มอัตราการส่งน้ำไปยังถังพักน้ำได้

ในปี ค.ศ. 1698 โทมัส ซาเวอรีได้จดสิทธิบัตรปั๊มไอน้ำที่เขาเรียกว่า "เพื่อนของคนงานเหมือง" ^{[ 6 ]}ซึ่งรวมพลังการขยายตัวของไอน้ำและสุญญากาศที่เกิดจากการควบแน่น^{[ 7 ] : 99–109 [ 8 ]}กระบวนการทำความเย็นและการสร้างสุญญากาศค่อนข้างช้า ดังนั้นซาเวอรีจึงเพิ่มการพ่นน้ำเย็นภายนอกในภายหลังเพื่อทำให้ไอน้ำเย็นลงอย่างรวดเร็ว

สิ่งประดิษฐ์ของเซเวอรีไม่สามารถถือได้อย่างแท้จริงว่าเป็น "เครื่องจักร" ไอน้ำเครื่องแรก เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวและไม่สามารถส่งกำลังไปยังอุปกรณ์ภายนอกใดๆ ได้ เห็นได้ชัดว่ามีความหวังสูงสำหรับ "เพื่อนของคนงานเหมือง" ซึ่งทำให้รัฐสภาขยายอายุสิทธิบัตรออกไปอีก 21 ปี ดังนั้นสิทธิบัตรปี 1699 จึงจะไม่หมดอายุจนกว่าจะถึงปี 1733 น่าเสียดายที่อุปกรณ์ของเซเวอรีประสบความสำเร็จน้อยกว่าที่คาดหวังไว้มาก

ปัญหาเชิงทฤษฎีของอุปกรณ์ของเซเวอรีเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่า สุญญากาศสามารถยกน้ำขึ้นได้สูงสุดเพียงประมาณ 30 ฟุต (9 เมตร) เท่านั้น และหากใช้แรงดันไอน้ำก็จะสามารถยกน้ำขึ้นได้อีกประมาณ 40 ฟุต (12 เมตร) ซึ่งไม่เพียงพอที่จะสูบน้ำออกจากเหมือง ในเอกสารของเซเวอรี เขาแนะนำให้วางหม้อไอน้ำและภาชนะบรรจุน้ำไว้บนชั้นหินในปล่องเหมือง และอาจใช้ปั๊มสองตัวขึ้นไปสำหรับระดับที่ลึกกว่า เห็นได้ชัดว่าวิธีการเหล่านี้ไม่สะดวก และจำเป็นต้องมีปั๊มเชิงกลที่ทำงานบนพื้นผิว – ปั๊มที่ยกน้ำขึ้นโดยตรงแทนที่จะ "ดูด" น้ำขึ้นมา – ปั๊มประเภทนี้มีอยู่แล้วทั่วไป โดยใช้พลังงานจากม้า แต่ต้องใช้แรงขับแบบลูกสูบในแนวตั้ง ซึ่งระบบของเซเวอรีไม่มีให้ ปัญหาในทางปฏิบัติมากกว่านั้นเกี่ยวข้องกับการมีหม้อไอน้ำที่ทำงานภายใต้แรงดัน ดังที่แสดงให้เห็นเมื่อหม้อไอน้ำของเครื่องจักรที่ Wednesbury ระเบิดอาจจะในปี 1705 เครื่องจักรที่ใช้การออกแบบของ Savery แม้ว่าจะได้รับการปรับปรุงเมื่อเวลาผ่านไป ก็ถูกติดตั้งและใช้งานเป็นเครื่องจักรส่งกลับเพื่อยกน้ำขึ้นเพื่อเพิ่มปริมาณน้ำให้กับกังหานน้ำที่มีอยู่ ตัวอย่างพบได้ในแมนเชสเตอร์และแลงคาเชอร์^{[ 7 ] : 122}

Louis Figuierในงานชิ้นเอกของเขา^{[ 9 ]}ได้อ้างอิงบทความของDenis Papinที่ตีพิมพ์ในปี 1690 ในActa eruditorumที่เมืองไลป์ซิก ชื่อเรื่อง"Nouvelle méthode pour obtenir à bas prix des forces considérables" (วิธีการใหม่ในการสร้างแรงจำนวนมากในราคาประหยัด) อย่างครบถ้วน ดูเหมือนว่าแนวคิดนี้เกิดขึ้นกับ Papin ขณะทำงานร่วมกับRobert Boyleที่Royal Societyในลอนดอน Papin อธิบายว่า ขั้นแรกให้เทน้ำปริมาณเล็กน้อยลงในก้นกระบอกสูบแนวตั้ง ใส่ลูกสูบลงบนแกน และหลังจากดูดอากาศใต้ลูกสูบออกก่อนแล้ว ให้จุดไฟใต้กระบอกสูบเพื่อต้มน้ำให้ระเหยและสร้างแรงดันไอน้ำมากพอที่จะยกลูกสูบขึ้นไปที่ปลายด้านบนของกระบอกสูบ จากนั้นลูกสูบจะถูกล็อคชั่วคราวในตำแหน่งบนสุดโดยใช้สปริงเกี่ยวเข้ากับร่องบนแกน จากนั้นจึงนำไฟออก ปล่อยให้กระบอกสูบเย็นลง ซึ่งจะทำให้ไอน้ำควบแน่นกลับเป็นน้ำ จึงทำให้เกิดสุญญากาศใต้ลูกสูบ ปลายก้านลูกสูบมีเชือกผูกไว้กับรอกสองตัว และมีน้ำหนักห้อยลงมาจากปลายเชือก เมื่อปล่อยตัวล็อก ลูกสูบจะถูกดึงลงไปที่ด้านล่างของกระบอกสูบอย่างรวดเร็วด้วยความแตกต่างของความดันระหว่างบรรยากาศและสุญญากาศที่สร้างขึ้น แรงที่เกิดขึ้นจึงเพียงพอที่จะยกน้ำหนัก 60 ปอนด์ (27 กิโลกรัม) ได้ “เอกสารหลายฉบับของเขาถูกนำเสนอต่อราชสมาคมระหว่างปี 1707 ถึง 1712 [รวมถึง] คำอธิบายเกี่ยวกับเครื่องยนต์ไอน้ำบรรยากาศปี 1690 ของเขา ซึ่งคล้ายกับที่โทมัส นิวโคเมนสร้างขึ้นและ [ต่อมา] นำไปใช้ในปี 1712” ^{[ 10 ]}

นิวโคเมนได้นำการทดลองของปาแปงมาพัฒนาต่อยอดและทำให้ใช้งานได้จริง แม้ว่าจะมีข้อมูลเพียงเล็กน้อยเกี่ยวกับวิธีการที่ทำให้สิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างแน่ชัด (หมายเหตุ: ในหนังสือThe Invention of Science: A New History of the Scientific Revolutionโดยเดวิด วูตตันผู้เขียนเสนอว่าแหล่งข้อมูลที่นิวโคเมนใช้จริง ๆ คือโบรชัวร์ของปาแปงเรื่อง "เครื่องย่อยหรือเครื่องจักรใหม่สำหรับทำให้กระดูกอ่อนนุ่ม") ปัญหาหลักที่ปาแปงไม่ได้ให้คำตอบคือวิธีการทำให้การทำงานสามารถทำซ้ำได้ในระยะเวลาที่สม่ำเสมอ วิธีแก้ปัญหาคือการจัดหาหม้อไอน้ำที่สามารถรับประกันความต่อเนื่องของการจ่ายไอน้ำไปยังกระบอกสูบ ดังเช่นที่เซเวอรีได้ทำไว้ โดยให้กำลังขับเคลื่อนสุญญากาศโดยการควบแน่นไอน้ำ และกำจัดน้ำหลังจากที่ควบแน่นแล้ว ลูกสูบกำลังถูกแขวนด้วยโซ่จากปลายคานโยก แตกต่างจากอุปกรณ์ของเซเวอรี การสูบน้ำเป็นไปโดยอัตโนมัติทั้งหมด โดยเครื่องยนต์ไอน้ำทำหน้าที่ยกแท่งถ่วงน้ำหนักที่แขวนอยู่จากปลายอีกด้านของคานโยก แท่งโลหะจะเคลื่อนลงไปในปล่องเหมืองด้วยแรงโน้มถ่วงและขับเคลื่อนปั๊มแรงดัน หรือปั๊มแบบเสา (หรือส่วนใหญ่จะเป็นชุดสองตัว) ภายในปล่องเหมือง จังหวะดูดของปั๊มจะมีระยะเวลาเท่ากับจังหวะขึ้น (การเตรียมพร้อม) เท่านั้น ดังนั้นจึงไม่มีข้อจำกัดที่ 30 ฟุตเหมือนปั๊มสุญญากาศอีกต่อไป และสามารถดันน้ำขึ้นไปตามลำน้ำจากระดับความลึกที่มากกว่าเดิมได้ หม้อไอน้ำจ่ายไอน้ำที่ความดันต่ำมาก และในตอนแรกจะตั้งอยู่ใต้กระบอกสูบกำลังโดยตรง แต่ก็สามารถวางไว้ด้านหลังกำแพงกั้นโดยมีท่อไอน้ำเชื่อมต่อได้ การทำงานทั้งหมดนี้ต้องอาศัยทักษะของวิศวกรภาคปฏิบัติ อาชีพของนิวโคเมนในฐานะ "ช่างเหล็ก" หรือพ่อค้าโลหะจะทำให้เขามีความรู้เชิงปฏิบัติอย่างมากเกี่ยวกับวัสดุที่เหมาะสมสำหรับเครื่องยนต์ดังกล่าว และทำให้เขาได้ติดต่อกับผู้คนที่มีความรู้ในรายละเอียดมากกว่า

ตัวอย่างแรกสุดที่มีบันทึกที่เชื่อถือได้คือเครื่องจักรสองเครื่องในแบล็กคันทรีซึ่งเครื่องที่มีชื่อเสียงมากกว่าคือเครื่องที่สร้างขึ้นในปี 1712 ที่โรงงานถ่านหินคอนีกรีในถนนบลูมฟิลด์ทิปตันซึ่งปัจจุบันเป็นที่ตั้งของ "บริษัทแองเกิลริงจำกัด" ทิปตัน [ ^{11 ] โดย} ทั่วไปแล้วถือว่านี่เป็นเครื่องจักรนิวโคเมนที่ประสบความสำเร็จเครื่องแรก และตามมาด้วยเครื่องที่สร้างขึ้นทางตะวันออกของ วูล์ฟแฮมป์ตันประมาณหนึ่งไมล์ครึ่ง เครื่องจักรทั้งสองนี้ถูกใช้โดยนิวโคเมนและจอห์น แคลลีย์ หุ้นส่วนของเขา เพื่อสูบน้ำออกจากเหมืองถ่านหินที่เต็มไปด้วยน้ำ ปัจจุบันสามารถชมแบบจำลองที่ใช้งานได้จริงได้ที่พิพิธภัณฑ์แบล็กคันทรีลิฟวิ่ง ที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งตั้งอยู่บนอีกส่วนหนึ่งของสิ่งที่เคยเป็นสวนคอนีกรีของลอร์ดดัด ลีย์ เครื่องจักรนิวโคเมนอีกเครื่องหนึ่งอยู่ใน คอร์นวอลล์สถานที่ตั้งไม่แน่นอน แต่เป็นที่ทราบกันว่ามีเครื่องหนึ่งใช้งานอยู่ที่ เหมือง วีลวอร์ในปี 1715 ^{[ 12 ]} ในไม่ช้าคำสั่งซื้อจากเหมืองเปียกทั่วประเทศอังกฤษก็เข้ามา และบางคนแนะนำว่าข่าวความสำเร็จของเขาแพร่กระจายผ่านความสัมพันธ์ ของเขากับ กลุ่มแบ๊บติสต์เนื่องจากสิทธิบัตรของเซเวอรียังไม่หมดอายุ นิวโคเมนจึงจำต้องตกลงกับเซเวอรีและดำเนินงานภายใต้สิทธิบัตรของเซเวอรี เพราะสิทธิบัตรของเซเวอรีมีอายุยาวนานกว่าที่นิวโคเมนจะสามารถหามาได้ง่ายๆ ในช่วงปีหลังๆ สิทธิบัตรดังกล่าวเป็นของบริษัทที่ไม่ได้จดทะเบียนชื่อ " เจ้าของสิ่งประดิษฐ์สำหรับการสูบน้ำด้วยไฟ "

แม้ว่าการใช้งานครั้งแรกจะอยู่ในพื้นที่เหมืองถ่านหิน แต่เครื่องจักรของนิวโคเมนยังถูกนำไปใช้ในการสูบน้ำออกจากเหมืองโลหะในเวสต์คันทรี่ซึ่งเป็นบ้านเกิดของเขา เช่น เหมืองดีบุกในคอร์นวอลล์ เมื่อถึงเวลาที่เขาเสียชีวิต นิวโคเมนและคนอื่นๆ ได้ติดตั้งเครื่องจักรของเขาไปแล้วกว่าร้อยเครื่อง ไม่เพียงแต่ในเวสต์คันทรี่และมิดแลนด์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงทางตอนเหนือของเวลส์ ใกล้กับนิวคาสเซิล และในคัมเบรียด้วย มีการสร้างเครื่องจักรจำนวนเล็กน้อยในประเทศอื่นๆ ในยุโรป รวมถึงในฝรั่งเศส เบลเยียม สเปน และฮังการี รวมถึงที่ดานเนโมรา ประเทศสวีเดนหลักฐานการใช้เครื่องจักรไอน้ำของนิวโคเมนที่เกี่ยวข้องกับเหมืองถ่านหินยุคแรกๆ ถูกค้นพบในปี 2010 ในมิดโลเธียน รัฐเวอร์จิเนีย (สถานที่ตั้งของเหมืองถ่านหินแห่งแรกๆ ในสหรัฐอเมริกา) (การสำรวจของดัตตัน แอนด์ แอสโซซิเอทส์ ลงวันที่ 24 พฤศจิกายน 2009)

แม้ว่าเครื่องยนต์ของนิวโคเมนจะอิงตามหลักการง่ายๆ แต่ก็ค่อนข้างซับซ้อนและแสดงให้เห็นถึงการพัฒนาทีละเล็กทีละน้อย โดยปัญหาต่างๆ ได้รับ การแก้ไข โดยอาศัยประสบการณ์เมื่อเกิดขึ้น เครื่องยนต์ประกอบด้วยหม้อไอน้ำAซึ่งโดยปกติจะเป็นหม้อไอน้ำทรงกองฟาง ตั้งอยู่ใต้กระบอกสูบโดยตรง หม้อไอน้ำนี้ผลิตไอน้ำปริมาณมากที่มีความดันต่ำมาก ไม่เกิน 1–2 psi (0.07–0.14 บาร์) ซึ่งเป็นความดันสูงสุดที่อนุญาตสำหรับหม้อไอน้ำ ในรุ่นแรกๆ หม้อไอน้ำทำจากทองแดงมีส่วนบนเป็นโดมทำจากตะกั่ว และต่อมาประกอบขึ้นจากแผ่นเหล็กขนาดเล็กที่ยึดด้วยหมุดย้ำทั้งหมด การทำงานของเครื่องยนต์ถูกส่งผ่านคานสมดุลขนาดใหญ่ที่ โยกไปมา จุด หมุนEของคานวางอยู่บนผนังด้านข้างที่แข็งแรงมากของโรงเครื่องยนต์ที่สร้างขึ้นโดยเฉพาะ โดยด้านปั๊มยื่นออกไปนอกอาคาร ส่วนเครื่องยนต์ตั้งอยู่ภายในอาคารก้านปั๊มถูกแขวนด้วยโซ่จากส่วนหัวโค้งFของคานขนาดใหญ่ จากส่วนหัวโค้งภายในตัวเครื่องDมีลูกสูบP แขวนอยู่ โดยลูกสูบ ทำงานอยู่ในกระบอกสูบBซึ่งปลายด้านบนเปิดสู่บรรยากาศเหนือลูกสูบและปลายด้านล่างปิดสนิท ยกเว้นท่อทางเข้าสั้นๆ ที่เชื่อมต่อกระบอกสูบกับหม้อไอน้ำ

กระบอกสูบรุ่นแรกทำจากทองเหลืองหล่อ แต่ในไม่ช้าก็พบว่าเหล็กหล่อมีประสิทธิภาพมากกว่าและผลิตได้ถูกกว่ามาก มีรายงานว่าเครื่องยนต์เครื่องแรกที่ใช้เหล็กหล่อคือเครื่องยนต์ที่ติดตั้งที่ Hawarden ในเวลส์ระหว่างปี 1714 ถึง 1715 ^{[ 13 ]}ในบรรดาโรงหล่อที่ผลิตและเจาะกระบอกสูบเครื่องยนต์ Newcomen ที่ทำจากเหล็ก ได้แก่Coalbrookdaleและต่อมา คือโรงงานเหล็ก Carronลูกสูบในตอนแรกถูกล้อมรอบด้วยซีลในรูปของวงแหวนหนัง แต่เนื่องจากรูเจาะกระบอกสูบทำด้วยมือและไม่เรียบสนิท จึงต้องรักษาระดับน้ำไว้บนลูกสูบตลอดเวลา ต่อมาจึงใช้เชือกป่านอ่อนบรรจุพร้อมกับน้ำหนักเหล็กด้านบนเพื่อยึดไว้ ลูกสูบถูกหุ้มฉนวนจากไอน้ำซึ่งมิฉะนั้นจะควบแน่น โดยการยึดไม้เข้ากับด้านล่าง ติดตั้งถังน้ำC (หรือถังพักน้ำ ) ไว้สูงในโรงเครื่องยนต์ โดยได้รับน้ำจากปั๊มขนาดเล็กที่ติดตั้งภายในซึ่งแขวนจากหัวโค้งขนาดเล็กกว่า ถังพักน้ำส่งน้ำเย็นที่มีแรงดันผ่านท่อตั้งเพื่อควบแน่นไอน้ำในกระบอกสูบ โดยมีท่อสาขาเล็กๆ ส่งน้ำสำหรับซีลกระบอกสูบ ในแต่ละจังหวะที่ลูกสูบขึ้นสูงสุด น้ำซีลอุ่นส่วนเกินจะไหลล้นลงไปตามท่อสองท่อ ท่อหนึ่งไหลลงสู่บ่อภายใน และอีกท่อหนึ่งไหลลงสู่หม้อไอน้ำด้วยแรงโน้มถ่วง

อุปกรณ์ปั๊มมีน้ำหนักมากกว่าลูกสูบไอน้ำ ดังนั้นตำแหน่งของคานขณะหยุดนิ่งจึงเป็นแบบด้านปั๊มคว่ำ/ด้านเครื่องยนต์หงาย ซึ่งเรียกว่า "อยู่นอกตัวเครื่อง"

To start the engine, the regulator valveV was opened and steam admitted into the cylinder from the boiler, filling the space beneath the piston. The regulator valve was then closed and the water injection valve V' briefly snapped open and shut, sending a spray of cold water into the cylinder. This condensed the steam and created a partial vacuum under the piston. Pressure differential between the atmosphere above the piston and the partial vacuum below then drove the piston down making the power stroke, bringing the beam "into the house", raising the pump gear and pumping the water up from the mine.

Steam was then readmitted to the cylinder, destroying the vacuum and driving the condensate down the sinking or "eduction" pipe. As the low pressure steam from the boiler flowed into the cylinder, the weight of the pump and gear returned the beam to its initial position.

This cycle was repeated around 12 times per minute.

Newcomen found that his first engine would stop working after a while, and eventually discovered that this was due to small amounts of air being admitted to the cylinder with the steam. Water usually contains some dissolved air, and boiling the water released this with the steam. This air could not be condensed by the water spray and gradually accumulated until the engine became "wind logged". To prevent this, a release valve called a "snifting clack" or snifter valve was included near the bottom of the cylinder. This opened briefly when steam was first introduced, and non-condensable gas was driven from the cylinder. Its name was derived from the noise it made when it operated to release the air and steam "like a Man snifting with a Cold".^[14]

ในรุ่นแรกๆวาล์วหรือปลั๊กตามที่เรียกกันในสมัยนั้น จะถูกควบคุมด้วยมือโดยคนควบคุมปลั๊กแต่การกระทำซ้ำๆ นั้นต้องการจังหวะเวลาที่แม่นยำ ทำให้การทำงานอัตโนมัติเป็นที่ต้องการ ซึ่งทำได้โดยใช้โครงปลั๊กซึ่งเป็นคานที่แขวนในแนวตั้งขนานกับกระบอกสูบจากหัวโค้งเล็กๆ โดยใช้โซ่ไขว้ หน้าที่ของมันคือการเปิดและปิดวาล์วโดยอัตโนมัติเมื่อคานไปถึงตำแหน่งที่กำหนด โดยใช้ตัวดันและ กลไก การปล่อยโดยใช้ตุ้มน้ำหนัก ในเครื่องยนต์ปี 1712 ปั๊มป้อนน้ำจะติดอยู่ที่ด้านล่างของโครงปลั๊ก แต่เครื่องยนต์รุ่นต่อมามีปั๊มอยู่ด้านนอกแขวนจากหัวโค้งเล็กๆ แยกต่างหาก มีตำนานเล่าขานกันทั่วไปว่าในปี 1713 เด็กเลี้ยงไก่ชื่อฮัมฟรีย์ พอตเตอร์^{[ 15 ]}ซึ่งมีหน้าที่เปิดและปิดวาล์วของเครื่องยนต์ที่เขาดูแล ได้ทำให้เครื่องยนต์ทำงานเองได้โดยทำให้คานเปิดและปิดวาล์วด้วยเชือกและตัวล็อคที่เหมาะสม^{[ 16 ]} (เรียกว่า "เชือกพอตเตอร์") ^{[ 17 ]}อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ปลั๊กทรี (รูปแบบแรกของกลไกวาล์ว ) น่าจะเป็นวิธีการปฏิบัติที่ใช้กันมาก่อนปี 1715 และปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจนในภาพเครื่องจักร Newcomen ที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่รู้จักโดยHenry Beighton (1717) ^{[ 18 ]} (ซึ่ง Hulse เชื่อว่าเป็นภาพเครื่องจักรเหมืองถ่านหิน Griff ปี 1714) และโดย Thomas Barney (1719) (เป็นภาพเครื่องจักร Dudley Castle ปี 1712) เนื่องจากความต้องการไอน้ำที่สูงมาก เครื่องจักรจึงต้องหยุดและเริ่มทำงานใหม่เป็นระยะ แต่แม้กระทั่งกระบวนการนี้ก็เป็นไปโดยอัตโนมัติโดยใช้ทุ่นที่ลอยขึ้นและลงในท่อตั้งแนวตั้งที่ยึดติดกับหม้อไอน้ำ ทุ่นนี้ติดอยู่กับscoggenซึ่งเป็นคันโยกถ่วงน้ำหนักที่ทำงานกับตัวหยุดที่ปิดกั้นวาล์วฉีดน้ำจนกว่าจะมีไอน้ำเพิ่มขึ้น

การออกแบบปั๊มที่ใช้สำหรับเหมืองถ่านหินที่มีเครื่องยนต์ Newcomen ได้รับการกล่าวถึงอย่างละเอียดในหนังสือ "A treatise on the steam engine" ของ John Farey ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1827 ^{[ 7 ] : 214} โดยปกติแล้วน้ำจะไม่ถูกยกขึ้นสู่ผิวดิน แต่จะถูกสูบจากฐานของปล่องไปยัง ระดับ อุโมงค์ซึ่งเป็นปล่องที่ค่อยๆ ลดระดับลงและขับเคลื่อนไปยังจุดต่ำสุดที่เหมาะสมเพื่อระบายน้ำ ที่ฐานของปล่อง ปั๊มจะดูดน้ำเข้าไปในส่วนฐาน (ปั๊มนี้เรียกว่าปั๊มดูด) และจากนั้นผ่านวาล์วกันกลับเข้าไปในตัวปั๊มหลัก ลูกสูบของปั๊มมีวาล์วซึ่งเปิดในจังหวะลงและปิดลงเพื่อยกน้ำขึ้นไปในท่อที่ทำจากท่อเหล็กที่เชื่อมต่อกันด้วยปะเก็นตะกั่ว ระยะยกสูงสุดปกติคือ 50 หลา เนื่องจากแรงดันน้ำในท่อเหล็ก ซึ่งต้องแข็งแรงพอที่จะทนต่อแรงดันและแรงกระแทกได้ ก้านสูบน้ำอาจถูกแบ่งออกเพื่อใช้งานปั๊มหลายตัวเพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ โดยแต่ละตัวจะสูบน้ำขึ้นไปในถังเก็บน้ำซึ่งจะส่งน้ำไปยังปั๊มด้านบน ข้อควรพิจารณาที่สำคัญอย่างหนึ่งคือต้องแน่ใจว่าปั๊มจะไม่ดูดอากาศเข้าไป เพราะแรงกระแทกที่เกิดขึ้นอาจทำให้ระบบปั๊มและเครื่องยนต์เสียหายได้

เมื่อใกล้สิ้นสุดอายุการใช้งาน เครื่องยนต์บรรยากาศได้รับการปรับปรุงรายละเอียดทางกลไกและสัดส่วนอย่างมากโดยJohn Smeatonซึ่งสร้างเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ประเภทนี้จำนวนมากในช่วงทศวรรษ 1770 ^{[ 16 ]}ความต้องการเร่งด่วนสำหรับเครื่องยนต์ที่ให้การเคลื่อนที่แบบหมุนเริ่มเป็นที่รู้สึกได้ และ Wasborough และPickard ก็ได้ทำสิ่งนี้ด้วยความสำเร็จที่จำกัดโดย ใช้เครื่องยนต์ Newcomen เพื่อขับเคลื่อนล้อหมุนผ่านข้อเหวี่ยงแม้ว่าหลักการของข้อเหวี่ยงจะเป็นที่รู้จักกันมานานแล้วPickardก็สามารถขอรับสิทธิบัตร 12 ปีในปี 1780 สำหรับการประยุกต์ใช้ข้อเหวี่ยงกับเครื่องยนต์ไอน้ำโดยเฉพาะ ซึ่งถือเป็นอุปสรรคต่อ Boulton และ Watt ที่หลีกเลี่ยงสิทธิบัตรโดยการประยุกต์ใช้การเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์กับเครื่องยนต์หมุนแบบสองจังหวะขั้นสูงของพวกเขาในปี 1782

ในปี ค.ศ. 1725 เครื่องจักรนิวโคเมนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการทำเหมือง โดยเฉพาะเหมืองถ่านหินเครื่องจักรนี้ยังคงใช้กันอย่างแพร่หลายโดยมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยตลอดช่วงที่เหลือของศตวรรษ การใช้เครื่องจักรนิวโคเมนขยายไปยังบางแห่งเพื่อสูบน้ำประปาของเทศบาล ตัวอย่างเช่น เครื่องจักรนิวโคเมนเครื่องแรกในฝรั่งเศสถูกสร้างขึ้นที่ปาสซีในปี ค.ศ. 1726 เพื่อสูบน้ำจากแม่น้ำเซนไปยังเมืองปารีส^{[ 19 ]}นอกจากนี้ยังใช้ในการขับเคลื่อนเครื่องจักรทางอ้อม โดยการส่งน้ำจากด้านล่างของกังหานน้ำกลับไปยังอ่างเก็บน้ำด้านบน เพื่อให้น้ำเดียวกันนั้นสามารถหมุนกังหานได้อีกครั้ง ตัวอย่างแรกๆ ของการใช้งานแบบนี้พบได้ที่โคลบรูคเดลมีการติดตั้งปั๊มที่ใช้พลังงานจากม้าในปี ค.ศ. 1735 เพื่อส่งน้ำกลับไปยังสระน้ำเหนือเตาหลอมเหล็กเก่า ซึ่งต่อมาได้ถูกแทนที่ด้วยเครื่องจักรนิวโคเมนในปี ค.ศ. 1742–1743 ^{[ 20 ]}เตาหลอมใหม่หลายแห่งที่สร้างขึ้นในชรอปเชียร์ในช่วงทศวรรษ 1750 ได้รับพลังงานในลักษณะเดียวกัน รวมถึง เตาหลอม ฮอร์สเฮย์และเคทลีย์และเตาหลอมเมดลีย์วูดหรือเบดแลม [ ^{21 ] เตา}หลอมหลังนี้ดูเหมือนจะไม่มีสระน้ำอยู่เหนือเตาหลอม มีเพียงถังที่ใช้สูบน้ำเข้าไปเท่านั้น ในอุตสาหกรรมอื่นๆ การใช้เครื่องยนต์สูบน้ำนั้นพบได้น้อยกว่า แต่ริชาร์ด อาร์คไรท์ใช้เครื่องยนต์เพื่อเพิ่มพลังงานให้กับโรงงานปั่นฝ้าย ของเขา ^{[ 22 ]}

มีการพยายามขับเคลื่อนเครื่องจักรด้วยเครื่องยนต์นิวโคเมน แต่เครื่องยนต์เหล่านี้ไม่เหมาะสมกับงานนี้ เนื่องจากความล่าช้าระหว่างจังหวะกำลังทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่กระตุกมาก^{[ 23 ]}มีความพยายามที่จะทำให้การเคลื่อนไหวราบรื่นขึ้นโดยการสร้างเครื่องยนต์นิวโคเมนที่มีสองกระบอกสูบซึ่งทำงานบนข้อเหวี่ยงสลับกัน บริษัทหลักสองแห่งที่นำเสนอสิ่งเหล่านี้คือ ฟรานซิส ทอมป์สัน แห่งอาโชเวอร์ เดอร์บีเชอร์ (ผู้จดสิทธิบัตรแนวคิดนี้ในปี 1793) และเบทเมนและเชอร์แรตต์ แห่งแมนเชสเตอร์^{[ 7 ]}

ปัญหาหลักของการออกแบบของนิวโคเมนคือการใช้พลังงานอย่างไม่มีประสิทธิภาพ จึงทำให้มีค่าใช้จ่ายในการใช้งานสูง หลังจากไอน้ำภายในเย็นลงจนเกิดสุญญากาศ ผนังกระบอกสูบจะเย็นลงมากพอที่จะทำให้ไอน้ำบางส่วนควบแน่นเมื่อถูกดูดเข้าไปในจังหวะดูดครั้งต่อไป ซึ่งหมายความว่าต้องใช้เชื้อเพลิงจำนวนมากเพียงเพื่อให้ความร้อนแก่กระบอกสูบจนถึงจุดที่ไอน้ำจะเริ่มไหลเข้าไปเติมเต็มอีกครั้ง เนื่องจากความร้อนที่สูญเสียไปนั้นสัมพันธ์กับพื้นผิว ในขณะที่งานที่เป็นประโยชน์นั้นสัมพันธ์กับปริมาตร การเพิ่มขนาดของเครื่องยนต์จึงเพิ่มประสิทธิภาพ และเครื่องยนต์นิวโคเมนก็มีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพไม่ได้มีความสำคัญมากนักในบริบทของเหมืองถ่านหิน เนื่องจากมีถ่านหินให้ใช้ได้อย่างไม่จำกัด

เครื่องยนต์ของนิวโคเมนได้รับการทดแทนก็ต่อเมื่อเจมส์ วัตต์ปรับปรุงมันในปี 1769 เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ (วัตต์ได้รับคำขอให้ซ่อมแซมแบบจำลองเครื่องยนต์ของนิวโคเมนจากมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ซึ่งเป็นแบบจำลองขนาดเล็กที่ทำให้ปัญหานี้รุนแรงขึ้น) ในเครื่องยนต์ไอน้ำของวัตต์การควบแน่นเกิดขึ้นในหน่วยควบแน่นภายนอกที่เชื่อมต่อกับกระบอกสูบไอน้ำผ่านท่อ เมื่อวาล์วบนท่อเปิด สุญญากาศในหน่วยควบแน่นจะทำให้ส่วนของกระบอกสูบด้านล่างลูกสูบเป็นสุญญากาศ ซึ่งจะช่วยขจัดความจำเป็นในการระบายความร้อนของผนังกระบอกสูบหลัก และลดการใช้เชื้อเพลิงลงอย่างมาก นอกจากนี้ยังทำให้สามารถพัฒนากระบอกสูบแบบสองทิศทาง ได้ โดยมีจังหวะการทำงานทั้งขึ้นและลง เพิ่มปริมาณพลังงานจากเครื่องยนต์โดยไม่ต้องเพิ่มขนาดของเครื่องยนต์มากนัก^{[ 24 ]}

เครื่องยนต์ต้นแบบของวัตต์ในปี 1769 เผยให้เห็นว่าเขาต้องการความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นสำหรับกระบอกสูบ ในเครื่องยนต์ของนิวโคเมน การปิดผนึกสามารถทำได้โดยใช้น้ำปริมาณมาก แต่กระบอกสูบของวัตต์ต้องทำงานโดยไม่ต้องใช้น้ำ เพราะแนวคิดคือการรักษาอุณหภูมิของกระบอกสูบให้อยู่ในระดับอุณหภูมิของไอน้ำ วัตต์ไม่สามารถผลิตเครื่องยนต์ของเขาได้จนกระทั่งปี 1774 เมื่อจอห์น วิลกินสันคิดค้นวิธีการเจาะกระบอกสูบที่แม่นยำ และได้รับสัญญาผูกขาดในการผลิตกระบอกสูบเป็นผล ในปี 1776 วัตต์เขียนถึงสมีตันว่า "คุณวิลกินสันได้ปรับปรุงศิลปะการเจาะกระบอกสูบ ดังนั้นผมจึงสัญญาว่ากระบอกสูบขนาด 72 นิ้วจะไม่ห่างไกลจากความจริงสัมบูรณ์ไปมากกว่าความหนาของเหรียญหกเพนนีบางๆ ในส่วนที่แย่ที่สุด" ^{[ 7 ] : 320} การผลิตของโบลตันและวัตต์เริ่มต้นในปีถัดไป แต่เครื่องยนต์ใหม่ไม่ได้กำจัดเครื่องยนต์ของนิวโคเมน การปกป้องสิทธิบัตร อย่างแข็งขันของวัตต์ ส่งผลให้มีการใช้เครื่องยนต์ของนิวโคเมนต่อไปเพื่อหลีกเลี่ยงการจ่ายค่าลิขสิทธิ์บูลตันและวัตต์พึ่งพาผู้อื่นในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์ (เช่น จอห์น วิลกินสัน) จนถึงปี 1795 ซึ่งส่งผลให้เกิดความล่าช้า นอกจากนี้พวกเขายังนิยมทำสัญญาแบบชำระเงินต่อเนื่องตามปริมาณถ่านหินที่ประหยัดได้ คู่แข่งอย่างเช่น เบทแมน (ตั้งแต่ปี 1791 เบทแมนและเชอร์แรตต์) มีโรงหล่อของตนเองในซัลฟอร์ดและสร้างเครื่องยนต์แบบใช้แรงดันบรรยากาศจำนวนมาก ซึ่งหลายเครื่องละเมิดสิทธิบัตรของวัตต์ นำไปสู่คดีความในศาลในปี 1796 และการประนีประนอมครั้งใหญ่ แต่บูลตันและวัตต์ปฏิเสธที่จะให้พวกเขาได้รับใบอนุญาตใช้คอนเดนเซอร์แบบแยกส่วน อย่างไรก็ตาม เบทแมนและเชอร์แรตต์ และบริษัทอื่นๆ ยังคงขายเครื่องยนต์แบบใช้แรงดันบรรยากาศต่อไป บางเครื่องได้รับการออกแบบให้ใช้คอนเดนเซอร์แบบแยกส่วนเมื่อสิทธิบัตรของวัตต์หมดอายุ เมื่อสิทธิบัตรหมดอายุในปี 1800 ก็เกิดการเร่งรีบในการใช้คอนเดนเซอร์แบบแยกส่วน ดังนั้นเครื่องยนต์นิวโคเมนที่เหลืออยู่จึงถูกดัดแปลงหรือเปลี่ยนใหม่ แม้แต่ในเหมืองถ่านหิน อย่างไรก็ตาม การใช้งานเครื่องยนต์แบบใช้แรงดันบรรยากาศ แม้ว่าจะใช้คอนเดนเซอร์แยกของวัตต์ ก็ยังคงดำเนินต่อไปอีกหลายปี เนื่องจากหม้อไอน้ำแรงดันสูงยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นและยังไม่ได้รับการพิสูจน์ประสิทธิภาพ

สามารถชมเครื่องจักรอนุสรณ์นิวโคเมนได้ในเมืองดาร์ทมัธ ซึ่งเป็นบ้านเกิดของนิวโคเมนโดยที่สมาคมนิวโคเมนได้ย้ายเครื่องจักรนี้มาในปี พ.ศ. 2506 เชื่อกันว่าเครื่องจักรนี้มีอายุย้อนไปถึงปี พ.ศ. 2368 เมื่อครั้งที่ติดตั้งครั้งแรกที่เหมืองถ่านหินกริฟฟ์ ใกล้เมืองโคเวนทรี^{[ 25 ]}

มีการติดตั้งเครื่องจักรที่เหมืองถ่านหินในAshton-under-Lyneประมาณปี 1760 ^{[ 26 ]}ซึ่งเป็นที่รู้จักในท้องถิ่นว่าFairbottom Bobsปัจจุบันได้รับการเก็บรักษาไว้ที่พิพิธภัณฑ์ Henry FordในDearborn รัฐมิชิแกน^{[ 27 ]}

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบนิวโคเมนเพียงเครื่องเดียวที่ยังคงตั้งอยู่ในสถานที่ดั้งเดิม คือเครื่องที่ปัจจุบันเรียกว่าศูนย์มรดกเอลส์คาร์ใกล้กับเมืองบาร์นสลีย์ ในเซาท์ยอร์กเชียร์ นี่อาจเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบนิวโคเมนเครื่องสุดท้ายที่ใช้งานเชิงพาณิชย์ เนื่องจากใช้งานตั้งแต่ปี 1795 จนถึงปี 1923 เครื่องกำเนิดไฟฟ้านี้ได้รับการบูรณะครั้งใหญ่ รวมถึงเพลาและห้องเครื่องดั้งเดิม ซึ่งแล้วเสร็จในฤดูใบไม้ร่วงปี 2014

มีตัวอย่างเครื่องจักร Newcomen แบบคงที่อยู่สองตัวอย่าง ตัวอย่างหนึ่งอยู่ที่^{พิพิธภัณฑ์}วิทยาศาสตร์ในลอนดอน [ ^{28 ] ตัวอย่าง}ที่สองอยู่ที่พิพิธภัณฑ์แห่งชาติสกอตแลนด์เดิมอยู่ที่เหมืองถ่านหิน Caprington ที่Kilmarnock ^[ 29 ^]

อีกตัวอย่างหนึ่งซึ่งเดิมใช้ที่เหมืองถ่านหิน Farmeจัดแสดงอยู่ที่พิพิธภัณฑ์ชีวิตอุตสาหกรรมแห่งสกอตแลนด์ Summerleeซึ่งผิดปกติตรงที่ใช้สำหรับการยกขึ้นลงแทนการสูบน้ำ และใช้งานมาเกือบศตวรรษเมื่อตรวจสอบในสถานที่จริงในปี 1902 ^{[ 30 ] [ 31 ]}

ในปี พ.ศ. 2529 แบบจำลองขนาดเต็มที่ใช้งานได้ของเครื่องจักรไอน้ำ Newcomen ปี พ.ศ. 2355 ได้สร้างเสร็จสมบูรณ์ที่พิพิธภัณฑ์ Black Country Living Museumในเมืองดัดลีย์^{[ 32 ]}แบบจำลองนี้เป็นแบบจำลองขนาดเต็มที่ใช้งานได้เพียงเครื่องเดียวที่มีอยู่ และเชื่อกันว่าอยู่ห่างจากสถานที่ตั้งของเครื่องจักรเครื่องแรกที่สร้างเสร็จสมบูรณ์ในปี พ.ศ. 2355 ประมาณสองไมล์^{[ 33 ]} 'เครื่องจักรไฟ' ตามที่เรียกกันนั้น เป็นอาคารอิฐที่น่าประทับใจ โดยมีคานไม้พาดผ่านผนังด้านหนึ่ง แท่งเหล็กแขวนอยู่จากปลายด้านนอกของคานและใช้งานปั๊มที่ด้านล่างของปล่องเหมือง ซึ่งจะสูบน้ำขึ้นสู่ผิวดิน ตัวเครื่องนั้นเรียบง่าย มีเพียงหม้อไอน้ำ กระบอกสูบ ลูกสูบ และวาล์วควบคุม ไฟจากถ่านหินจะทำให้น้ำในหม้อไอน้ำร้อน ซึ่งมีลักษณะคล้ายกระทะที่มีฝาปิด และไอน้ำที่เกิดขึ้นจะผ่านวาล์วเข้าไปในกระบอกสูบทองเหลืองเหนือหม้อไอน้ำ กระบอกสูบมีความยาวมากกว่า 2 เมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 52 เซนติเมตร ไอน้ำในกระบอกสูบจะถูกควบแน่นโดยการฉีดน้ำเย็นเข้าไป และสุญญากาศใต้ลูกสูบจะดึงปลายด้านในของคานลง ทำให้ปั๊มเคลื่อนที่^{[ 34 ]}

• ลำดับเหตุการณ์ของพลังงานไอน้ำ
• แคทาแร็กต์ – อุปกรณ์ควบคุมความเร็วที่ใช้ในเครื่องยนต์ลำแสง
• ทางรถไฟระบบบรรยากาศ

• โรลท์, แอลทีซี; เจเอส อัลเลน (1977) เครื่องจักรไอน้ำของโธมัส นิวโคเมน ฮาร์ทิงตัน: ​​มัวร์แลนด์ พี 160. ไอเอสบีเอ็น 0-88202-171-0.
• พิมพ์ซ้ำ: Rolt, LTC; JS Allen (1998). The Steam Engine of Thomas Newcomen . Ashbourne Derbs: Landmark Publishing. หน้า 160. ISBN 1-901522-44-X.
• Kanefsky, John; John Robey (1980). "เครื่องจักรไอน้ำในบริเตนศตวรรษที่ 18: การประเมินเชิงปริมาณ" เทคโนโลยีและวัฒนธรรม 21 ( 2): 161– 186. doi : 10.2307/3103337 . ISSN  0040-165X . JSTOR  3103337 .
• ฮัลส์, เดวิด เค. (1999). การพัฒนาเครื่องจักรไอน้ำในยุคแรก . เลมิงตันสปา, สหราชอาณาจักร: สำนักพิมพ์ทีอี. ISBN 1-85761-119-5.
• "การเติบโตของเครื่องจักรไอน้ำ ภาค 2" วารสารวิทยาศาสตร์ยอดนิยมฉบับที่ 12 ธันวาคม ค.ศ. 1877 ISSN  0161-7370 – ผ่านทาง Wikisource

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเครื่องยนต์นิวโคเมน

• องค์กร English Heritage ได้บันทึกสถิติอนุสรณ์สถานแห่งชาติสำหรับเครื่องยนต์ Newcomen ที่ Elsecar