自制斯特林引擎

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一说到引擎，似乎我们脑袋里总是出现汽车里塞的那东西，这玩意儿虽好，却是个内燃机，我们要做出来似乎有那么点难度。其实外燃机也是种很不错的发动机，《Geek》的忠实读者应该还记得我们以前介绍过的斯特林引擎，今天我们就来做一个简易的斯特林引擎。

不得不说的运作原理

斯特林引擎虽然是发明已久的东西，但它至今仍不断被研究改进，因为它的理论效能几乎接近热机的最大理论效能（热能与功的无损耗转换循环）。这与它的结构和运作原理是密不可分的，我们可以分为如下几个阶段来理解。顺带说一句，别看到是理论就急着跳过，如果不仔细理解，那么后面动手的部分你会感到无所适从的。

为了方便Geek们理解，我们将一步步来介绍。根据热学理论，具有质量的物质，会有热胀冷缩的效应。因此，即使是空气也会有遇热膨胀，遇冷收缩的现象。做个简单的实验，在一个易拉罐开口处套上一个气球并密封好（类似气球的其他东西也行），在易拉罐底部加热，会使得汽球膨胀凸出；反之，如果把易拉罐放进冰箱冷冻室中降温，气球也会收缩凹进去。

因此，若能使气体反复进行膨胀与收缩，那将可以得到一种机械式的往复运动，并利用它来推动活塞。于是我们可在罐子中放置一个移气活塞，顾名思义，这活塞的主要作用是用来移动气体的。当这个活塞上移时，空气会朝下方移动，由于下方正被加热，所以空气会受热膨胀，使得气球会凸出。相反的，如果把活塞往下方移动，那么空气被移置上方，但上方是冷却端，因此空气被冷却，气温变低、气球收缩。只要重复移动活塞的过程，我们就能看到气球会不断的膨胀和收缩。

要让活塞上下移动，只需将活塞与一根曲轴连结。当曲轴旋转时，移气活塞就会跟着移动。将移气活塞与曲轴连结完毕之后，在容器底端加热、上端冷却，只要用手转动曲轴，使得移气活塞上下往复移动，此时气球便会重复膨胀及收缩。

气球的膨胀及收缩运动，同样可以转换为动力输出。此时，气球的作用如同一个动力活塞。我们可以再加一根连杆接到上述的曲轴上，便可将气球的膨胀及收缩运动转换为曲轴的旋转运动。连接到移气活塞的曲轴部位与连接到动力活塞的曲轴部位必须呈固定的角度差，一般是90度（在此典型模型中，该角度能产生最大的扭力）。气球的膨胀及缩收所产生的曲轴的旋转运动提供了移气活塞上下移动的力量，多余的力量则可以输出。必须注意的是，移气活塞本身不会动，而是被曲轴带动，动力来源是动力活塞。

如果只用这些零件，引擎还是不能运转。因为利用气球的膨胀或收缩，并无法让曲轴旋转一整圈。因此，必须加上一个有旋转惯性的设备，即“飞轮”，才能达成连续运转的目的。一般采用的飞轮，最常见的是圆形飞轮。除了惯性需求外，还要考虑平衡问题，一般需要进行配重，就能解决平衡问题。

简单说来，我们可以将斯特林引擎的运转归纳为以下四个阶段：

加热：将气体推往热室，因而气体膨胀，室内的压力增加。

膨胀：气球被推动，带动曲轴与飞轮。

冷却：连结 90 度曲轴的移气活塞，被带动旋转，将气体推回冷室。

压缩：活塞收缩，同样带动曲轴及飞轮惯性旋转。如此进行循环。

而从循环当中我们可以发现，第一个步骤与第三个步骤是引擎产生能量大小的关键。要增加能量，即要提升热室温度与降低冷室温度，即温差，使膨胀与收缩作用加剧，产生更大的压力。怎么样，结构和原理都很简单吧，下面就跟着《Geek》来做引擎吧。

材料篇

看了斯特林的运作原理后，应该都能猜出要用到的原材料。比如最重要的气腔，我们需要用一个圆筒状，上下齐宽的东西。我们几乎能很自然的想到装光盘用的光盘桶。当然，要封闭气腔我们还是得用金属（吸热传热效果比塑料好），去建筑工地找找，很容易找到这类边角料。接着是移气活塞，考虑到重量的因素，泡沫板应该是个不错的选择，最主要的是这玩意儿很容易找到（电脑城里多的是）。当然，气球是不能少的，否则谁来担负起膨胀的重任呢？不过记得购买厚一点的气球。还有曲柄和连接杆，需要用强度高一点的铁丝。如果不知道去哪里找，不妨去自行车店看看，只要你口才可以，找老板送几根辐条绝对不是问题。就算你嘴巴不利索，花钱买也不过几毛钱一根。至轮，用脚底板也能想到用光盘来做，家里或多或少有刻飞的碟子吧，这个几乎没成本。主料就这些了，还有一些辅料以及工具需要准备一下。首先是一根能套下食指的管子，不用太长，5厘米就足够了，材料也没太高要求，普通的PVC管就可以，当然，有金属管更好。此外，我们还需要AB胶，以及少许油（烹饪油或是润手霜也能替代）。至于其他的工具，估计普通人家也不会有，下文会教你找谁帮忙的。

制作篇

首先是气腔的制作，拿出光盘桶和直尺，量出4cm的高度并用笔标出，并将光盘桶划开。在这里，最好使的工具是线锯或是电磨，如果你没有，可以用剪刀。考虑到剪刀的精度，我们可以适当多空出些光盘桶的高度。剪完后记得用砂纸打磨下开口处。

接着就是制作移气活塞了，用圆规在白纸上画出一个直径为12cm的圆（这是因为光盘的直径为12cm，光盘桶的直径会大于这个值，移气活塞大约就比光盘稍大就行了）。然后将白纸贴在泡沫板上，接着用剪刀剪下来。将剪下的泡沫板用泡沫型双面胶缠绕一圈，记住，朝外面的这层胶纸千万不能斯掉。缠绕双面胶的目的是在泡沫板和圆筒之间制造一个较软的缓冲地带，保证活塞能顺利滑动（可以稍微抹上一些油）。

活塞既然做好了，那么就该密封气腔了。用光盘桶作为标尺，在金属板上画两个（一个顶盖，一个地盖）稍大于光盘桶的同心圆，然后照此切割。不过大家家里应该没有能切得动这东西的玩意儿，大家可以拿到那些制作广告牌的公司，请他们切割（找金属板的时候千万记得，别找太厚的）。记得在顶盖上钻出一个圆心孔，孔的直径不用太大，可供辐条进入即可。当然，既然到了专业的公司，不妨再请他们在顶盖上制作一个支架，用于扶助辐条的移动。至于需要支架的原因，很简单，两点确定一条直线。有了这个支架，辐条才能在这条直线里上下移动，而且辐条所连接的移气活塞也不会偏离位置。再说了，你跑到人家公司去，好歹要照顾下人家的生意嘛。此外，还要在顶盖上钻一个直径小于金属管内径的圆孔。

现在就轮到动力活塞的制作了。方法有两种，一是用大量的环氧树脂AB胶做出一个小于金属管内径的坠子；一是直接用泡沫板剪出一个坠子出来。不管用哪种方法，最后都要记得用胶水把用自行车辐条折出的挂钩粘在坠子上。这个坠子的作用是，当气球膨胀时，会将坠子顶起来，形成一个动力活塞。

将切好的底盖粘在圆筒上，记得多用些胶，务必做到不透气。在粘顶盖之前，记得再用辐条做一个钩子，穿过支架及圆心孔，并粘在移气活塞上。要注意，一定要粘紧。最后，剪下一块气球（面积要比顶盖的圆洞要大），然后按照顶盖、气球、金属圆筒的顺 序粘在一起。

在引擎内部都大概完工后，就轮到外部的曲柄了。老规矩，用直尺量出两根连接在活塞上的连杆所在的位置，然后用笔画在纸上。要记得，两个曲轴一定要做成有90度的相位角，否则是无法推动飞轮的。

到这里，就接近成功的边缘了。在顶盖上粘上两个支撑曲柄用的木桩，材质没什么要求，但是一定要保证，曲柄呈水平放置。接着用辐条制作出两条连接曲柄和活塞的连杆，并连接起来。

好了，斯特林引擎到这里就基本制作完成了。但是你如果就照这个步骤做下来，其实很难成功，不是因为我们的方法有问题，而是有许多地方需要慢慢调试。如果你做出来它不能正常运行，那么可以照着下面几点和前面说的引擎运转原理来慢慢检查、调试，反正动手时就一个原则―胆大心细。

1．气密性的保证：气腔内部的密封非常重要，特别是移气活塞的传动连杆，由于是在金属上钻洞，所以不能做到完全密封。这时你可以通过涂抹油的方式来解决，或者可以用润手霜来替代。它们不仅能让连杆移动更加顺畅，还有很好的密封性。当然，你也可以用其他的东西来增加密封性，比如玻璃胶。

2．动力活塞的连接：连接金属管、气球和顶盖时，有个细节值得注意。那就是气球在粘贴时，最好保持它最自然的状态，不要进行拉伸，否则会影响膨胀的效果。当然，最重要的前提是一定要粘紧。

3．曲柄与连杆的调试：曲柄与连杆之间的缝隙不宜过大，否则会影响力的传递。最理想的情况是将连杆头折出一个正圆穿过曲柄，当然，这非常考验你的手工能力，毕竟自行车辐条的强度很高，要想用钳子把它们折成想要的形状是有些困难。如果你没这么高的技艺不妨试试用玻璃胶来填补多余的缝隙。

4．飞轮的调试：许多人会忽略这个东西，其实飞轮对引擎的运转非常的重要。比如飞轮的位置、重量等，都是有讲究的。位置会造成力矩的不同，重量会关系到运转的流畅性。多数情况下，一张光盘的重量都不够，需要两张光盘粘在一起，粘的时候要注意，胶水要摸均匀，否则就起不了飞轮的作用了。

好了，把这些都检查一遍后，你的引擎应该能运转正常了。点根蜡烛，对准引擎的金属底部加热10秒，然后用手轻轻拨动光盘，不出意外的话，光盘就能一直旋转下去了。斯特林引擎还能有更复杂的结构，我们做的算是最最简单的。对此有兴趣、又有一定动手能力的Geek们，不妨来《Geek》的官方Blog（.cn）下载图纸来照着做更加精致的斯特林引擎。