Ползунов был переведен на "настоящую" офицерскую должность - комиссар Колыванского завода "у прихода и расхода денежной казны" или, применительно к нынешним понятиям, заместителем управляющего заводом по хозяйственной части. Между тем дела на Колывано-Воскресенских заводах начали приходить в упадок. Так, если в год смерти Беэра в 1751 г. выплавка серебра достигла 366 пудов, то к 1760 году она снизилась до 264 пудов. С такой потерей доходов Кабинет, а точнее коронованная хозяйка заводов, мириться не хотела. В октябре 1761 г. начальник заводов А.И.Порошин, незадолго перед тем произведенный в генерал-майоры, был возвращен на Алтай. Он привез с собой целый пакет мер "для улучшения заводов", разработанных Кабинетом (с его участием) и одобренных императрицей.
Одной из этих мер было строительство нового сереброплавильного завода. Возникает вопрос - а не проще ли было увеличить мощность действующих –
Барнаульского и Колыванского? В том-то и дело, что - нет. Мощность завода ограничивалась числом водяных колес или, другими словами, запасом воды в пруду. Заводу требовался также большой запас леса поблизости для выжигания древесного угля (каменный использовать тогда не умели).
Речка и лес являлись непременным условием для строительства завода, причем годилась не каждая речка, а только не очень широкая и не очень быстрая с крепкими (не песчаными) берегами. Найти такое место близ Змеиногорского рудника было непросто. Не случайно Барнаульский завод находится 240 верстах от него. С приездом А.И.Порошина поиски приобрели широкий размах. В них были привлечены все горные офицеры, не привлекался лишь И.И.Ползунов. Незадолго перед тем он возглавил повытье (контору) "у лесных и куренных дел" Барнаульского завода, ему дали время освоиться с новой хлопотной должностью. Но он не захотел оставаться в стороне от того, чем жило все "горное общество", тоже искал выход, только мысли его пошли в другом направлении: как преодолеть рабскую зависимость горно-заводского производства от водяного колеса? В апреле 1763 г. он положил на стол начальника завода неожиданный и дерзкий проект "огненной" машины. И.И.Ползунов предназначал ее для приведения в действие воздуходувных мехов; а в дальнейшем мечтал приспособить "по воле нашей, что будет потребно исправлять", но сделать это не успел..."
Чтобы по достоинству оценить творческий подвиг И.И.Ползунова, вспомним, что в то время в России ни одного парового двигателя еще не было. Единственным источником, из которого ему стало известно, что есть такой на свете, было книга И.В.Шлаттера "Обстоятельное наставление рудокопному делу", изданная в Петербурге в 1760 году. Но в книге были только схема да принцип действия одноцилиндровой машины Ньюкомена, о технологии же ее изготовления - ни слова. И.В.Шлаттеру и в голову не пришло, что такие сведения в России могут кому-нибудь понадобиться. Можно без преувеличения сказать, что Ползунов позаимствовал у И.В.Шлаттера лишь идею пароатмосферного двигателя, до всего остального додумался сам. Необходимые познания о природе теплоты, свойствах воды, воздуха, пара он почерпнул из трудов М.В.Ломоносова.
Трезво оценивая трудности осуществления совершенно нового в России дела, Ползунов предлагал построить вначале в порядке эксперимента одну небольшую машину разработанной им конструкции для обслуживания воздуходувной установки (состоявшей из двух клинчатых мехов) при одной плавильной печи. На чертеже, приложенном к записке, в объяснительном тексте установка, согласно первому проекту Ползунова, включала: котел - в общем той же конструкции, которая применялась в ньюкоменовских машинах; пароатмосферную машину, состоявшую из двух цилиндров с поочередным движением в них поршней ("эмволов") в противоположных направлениях, снабженных парораспределительной и водораспределительной системами; резервуары, насосы и трубы для снабжения установки водой; передаточный механизм в виде системы шкивов с цепями (от балансира Ползунов отказался), приводящей в движение воздуходувные меха. Водяной пар из котла поступал на поршень одного из рабочих цилиндров. Этим выравнивалось давление атмосферного воздуха.
Давление пара лишь незначительно превышало давление атмосферного воздуха. Поршни в цилиндре были соединены цепями, и при подъеме одного из поршня второй опускался. Когда поршень достигал верхнего положения, доступ пара автоматически прекращался, и внутрь цилиндра вбрызгивалась холодная вода. Пар конденсировался и под поршнем образовывался вакуум (разреженное пространство). Силою атмосферного давления поршень опускался в нижнее положение и тянул за собою поршень во втором рабочем цилиндре, куда для уравнивания давления впускался пар из того же котла автоматом, действующим от передаточного механизма двигателя.
Тот факт, что поршни с системой передачи движения были связаны цепями, показывает, что при подъеме поршней по цепи нельзя было передавать движения (цепь при этом не натянута). Работали все части двигателя за счет энергии опускающегося поршня. т.е. того поршня, который двигался под действием атмосферного давления. Пар не производил полезной работы в двигателе. Величина этой работы зависела от затраты тепловой энергии на протяжении всего цикла. Количество затраченной тепловой энергии выражало собою величину потенциальной энергии каждого из поршней. Это - сдвоенный паро-атмосферный цикл. Ползунов отчетливо представлял принцип работы теплового двигателя. Это видно на примерах, которыми он характеризовал условия наилучшей работы изобретенного им двигателя. Зависимость работы двигателя от величины температуры воды, конденсирующей пар, он определял следующими словами: "действие эмволов и их подъемы и спуски тем сделаются выше, чем в фанталах будет вода холоднее, а паче от такой, которая близ пункта замерзания доходит, а еще не сгустеет и от того во всем движении многую подаст способность". Это положение, известное ныне в термодинамике в качестве частного случая одного из основных ее законов, до Ползунова еще не было сформулировано. Чтобы понять его значение, переведем слова Ползунова на современный нам язык: работа теплового двигателя будет тем больше, чем ниже будет температура воды, конденсирующей пар, а особенно при достижении ею точки затвердевания воды 0 ОС. Двигатель Ползунова в его проекте 1763 года предназначался для подачи воздуха в плавильные печи воздуходувными мехами. Одновременно с этим он приводил в действие поршни водяных насосов, подающих воду в верхний бассейн для питания "фонтанов" внутри цилиндров в момент конденсации пара. Таким образом, двигатель мог приводить в действие два разных механизма - водяные насосы и воздуходувные мехи, чего не делала до него ни одна машина в мире. Кроме того, он мог приводить в действие молоты, рудодробилки, и многие другие заводские и рудничные механизмы. При желании двигатель легко мог совершать вращательные движения с помощью широко известного в России кривошипного механизма. Проект Ползунова был рассмотрен канцелярией Колывано-Воскресенских заводов и получил высокую оценку со стороны начальника заводов А.И.Порошина. Порошин указывал, что если Ползунов возьмется сделать машину, годную для обслуживания нескольких печей сразу, если он построит машину, пригодную для выливки воды из рудников, то Канцелярия охотно поддержит его замыслы. Окончательное решение этого вопроса оставалось за Кабинетом и
хозяйкой заводов - Екатериной II. Проект был направлен в Петербург, но ответ Кабинета был получен в Барнауле только через год. Указом Кабинета от 19 ноября 1763 г. императрица пожаловала изобретателя в "механикусы" с чином и званием инженерного капитан-поручика. Это означало, что Ползунову теперь было обеспечено жалование в 240 рублей годовых, с добавлением на двух денщиков и содержание лошадей он получал 314 рублей. Ему было обещана награда в 400 рублей.
Все это - немалая милость. Она еще раз свидетельствует о том, что императрица Екатерина любила поддерживать свою славу покровительницы наук и искусств. Но размеры поощрения еще раз подтверждают, что значение изобретения Ползунова не поняли в Петербурге. Для подтверждения можно привести такой факт: когда тезка Ползунова Иван Кулибин преподнес императрице сделанные им оригинальные часы, он получил в подарок 1000 рублей. Когда он сделал модель моста через Неву в один пролет, то был награжден такой же суммой и был осыпан другими поощрениями. После апробации моста Кулибин получил в награду еще 2000 рублей. Иван Кулибин, был конечно высокоодаренный механик, но все-таки его изобретения нельзя поставить рядом с машиной Ползунова.
Говоря о роли и значении первого проекта "огненной машины" в мировой истории техники, следует с уверенностью заявить следующее: если бы Ползунов вообще ничего не построил и ничего не спроектировал, а только оставил бы набросок своего первого проекта, то и этого было бы достаточно, чтобы преклоняться перед его гениальным замыслом.
Пока Кабинет рассматривал проект двигателя, Ползунов, не теряя времени, работал над проектом второй очереди. Он конструировал мощный тепловой двигатель на 15 плавильных печей. Это была уже настоящая теплосиловая станция. Ползунов не просто увеличивал масштабы двигателя, а вносил в него ряд существенных изменений. Уже после того, как проект мощного двигателя был закончен, Ползунову стало известно, что Кабинет, ознакомившись с его первым проектом, присвоил ему звание механика и постановил выдать 400 рублей в награду, но никакого решения по существу вопроса не принял.
Несмотря на такую позицию Кабинета, начальник Колывано-Воскресенских заводов А.И.Порошин разрешил Ползунову приступить к исполнению первой очереди проекта. В марте 1764 года И.И.Ползунов предложил начать строительство большого теплового двигателя. Порошин согласился с этим предложением. Так на Барнаульском заводе началось строительство первой в мире универсальной теплосиловой установки.