自制斯特林引擎

一說到引擎，似乎我們腦袋里總是出現汽車里塞的那東西，這玩意兒雖好，卻是個內燃機，我們要做出來似乎有那么點難度。其實外燃機也是種很不錯的發動機，《Geek》的忠實讀者應該還記得我們以前介紹過的斯特林引擎，今天我們就來做一個簡易的斯特林引擎。

不得不說的運作原理

斯特林引擎雖然是發明已久的東西，但它至今仍不斷被研究改進，因為它的理論效能幾乎接近熱機的最大理論效能（熱能與功的無損耗轉換循環）。這與它的結構和運作原理是密不可分的，我們可以分為如下幾個階段來理解。順帶說一句，別看到是理論就急著跳過，如果不仔細理解，那么后面動手的部分你會感到無所適從的。

為了方便Geek們理解，我們將一步步來介紹。根據熱學理論，具有質量的物質，會有熱脹冷縮的效應。因此，即使是空氣也會有遇熱膨脹，遇冷收縮的現象。做個簡單的實驗，在一個易拉罐開口處套上一個氣球并密封好（類似氣球的其他東西也行），在易拉罐底部加熱，會使得汽球膨脹凸出；反之，如果把易拉罐放進冰箱冷凍室中降溫，氣球也會收縮凹進去。

因此，若能使氣體反復進行膨脹與收縮，那將可以得到一種機械式的往復運動，并利用它來推動活塞。于是我們可在罐子中放置一個移氣活塞，顧名思義，這活塞的主要作用是用來移動氣體的。當這個活塞上移時，空氣會朝下方移動，由于下方正被加熱，所以空氣會受熱膨脹，使得氣球會凸出。相反的，如果把活塞往下方移動，那么空氣被移置上方，但上方是冷卻端，因此空氣被冷卻，氣溫變低、氣球收縮。只要重復移動活塞的過程，我們就能看到氣球會不斷的膨脹和收縮。

要讓活塞上下移動，只需將活塞與一根曲軸連結。當曲軸旋轉時，移氣活塞就會跟著移動。將移氣活塞與曲軸連結完畢之后，在容器底端加熱、上端冷卻，只要用手轉動曲軸，使得移氣活塞上下往復移動，此時氣球便會重復膨脹及收縮。

氣球的膨脹及收縮運動，同樣可以轉換為動力輸出。此時，氣球的作用如同一個動力活塞。我們可以再加一根連桿接到上述的曲軸上，便可將氣球的膨脹及收縮運動轉換為曲軸的旋轉運動。連接到移氣活塞的曲軸部位與連接到動力活塞的曲軸部位必須呈固定的角度差，一般是90度（在此典型模型中，該角度能產生最大的扭力）。氣球的膨脹及縮收所產生的曲軸的旋轉運動提供了移氣活塞上下移動的力量，多余的力量則可以輸出。必須注意的是，移氣活塞本身不會動，而是被曲軸帶動，動力來源是動力活塞。

如果只用這些零件，引擎還是不能運轉。因為利用氣球的膨脹或收縮，并無法讓曲軸旋轉一整圈。因此，必須加上一個有旋轉慣性的設備，即“飛輪”，才能達成連續運轉的目的。一般采用的飛輪，最常見的是圓形飛輪。除了慣性需求外，還要考慮平衡問題，一般需要進行配重，就能解決平衡問題。

簡單說來，我們可以將斯特林引擎的運轉歸納為以下四個階段：

加熱：將氣體推往熱室，因而氣體膨脹，室內的壓力增加。

膨脹：氣球被推動，帶動曲軸與飛輪。

冷卻：連結 90 度曲軸的移氣活塞，被帶動旋轉，將氣體推回冷室。

壓縮：活塞收縮，同樣帶動曲軸及飛輪慣性旋轉。如此進行循環。

而從循環當中我們可以發現，第一個步驟與第三個步驟是引擎產生能量大小的關鍵。要增加能量，即要提升熱室溫度與降低冷室溫度，即溫差，使膨脹與收縮作用加劇，產生更大的壓力。怎么樣，結構和原理都很簡單吧，下面就跟著《Geek》來做引擎吧。

材料篇

看了斯特林的運作原理后，應該都能猜出要用到的原材料。比如最重要的氣腔，我們需要用一個圓筒狀，上下齊寬的東西。我們幾乎能很自然的想到裝光盤用的光盤桶。當然，要封閉氣腔我們還是得用金屬（吸熱傳熱效果比塑料好），去建筑工地找找，很容易找到這類邊角料。接著是移氣活塞，考慮到重量的因素，泡沫板應該是個不錯的選擇，最主要的是這玩意兒很容易找到（電腦城里多的是）。當然，氣球是不能少的，否則誰來擔負起膨脹的重任呢？不過記得購買厚一點的氣球。還有曲柄和連接桿，需要用強度高一點的鐵絲。如果不知道去哪里找，不妨去自行車店看看，只要你口才可以，找老板送幾根輻條絕對不是問題。就算你嘴巴不利索，花錢買也不過幾毛錢一根。至于飛輪，用腳底板也能想到用光盤來做，家里或多或少有刻飛的碟子吧，這個幾乎沒成本。主料就這些了，還有一些輔料以及工具需要準備一下。首先是一根能套下食指的管子，不用太長，5厘米就足夠了，材料也沒太高要求，普通的PVC管就可以，當然，有金屬管更好。此外，我們還需要AB膠，以及少許潤滑油（烹飪油或是潤手霜也能替代）。至于其他的工具，估計普通人家也不會有，下文會教你找誰幫忙的。

制作篇

首先是氣腔的制作，拿出光盤桶和直尺，量出4cm的高度并用筆標出，并將光盤桶劃開。在這里，最好使的工具是線鋸或是電磨，如果你沒有，可以用剪刀。考慮到剪刀的精度，我們可以適當多空出些光盤桶的高度。剪完后記得用砂紙打磨下開口處。

接著就是制作移氣活塞了，用圓規在白紙上畫出一個直徑為12cm的圓（這是因為光盤的直徑為12cm，光盤桶的直徑會大于這個值，移氣活塞大約就比光盤稍大就行了）。然后將白紙貼在泡沫板上，接著用剪刀剪下來。將剪下的泡沫板用泡沫型雙面膠纏繞一圈，記住，朝外面的這層膠紙千萬不能斯掉。纏繞雙面膠的目的是在泡沫板和圓筒之間制造一個較軟的緩沖地帶，保證活塞能順利滑動（可以稍微抹上一些潤滑油）。

活塞既然做好了，那么就該密封氣腔了。用光盤桶作為標尺，在金屬板上畫兩個（一個頂蓋，一個地蓋）稍大于光盤桶的同心圓，然后照此切割。不過大家家里應該沒有能切得動這東西的玩意兒，大家可以拿到那些制作廣告牌的公司，請他們切割（找金屬板的時候千萬記得，別找太厚的）。記得在頂蓋上鉆出一個圓心孔，孔的直徑不用太大，可供輻條進入即可。當然，既然到了專業的公司，不妨再請他們在頂蓋上制作一個支架，用于扶助輻條的移動。至于需要支架的原因，很簡單，兩點確定一條直線。有了這個支架，輻條才能在這條直線里上下移動，而且輻條所連接的移氣活塞也不會偏離位置。再說了，你跑到人家公司去，好歹要照顧下人家的生意嘛。此外，還要在頂蓋上鉆一個直徑小于金屬管內徑的圓孔。

現在就輪到動力活塞的制作了。方法有兩種，一是用大量的環氧樹脂AB膠做出一個小于金屬管內徑的墜子；一是直接用泡沫板剪出一個墜子出來。不管用哪種方法，最后都要記得用膠水把用自行車輻條折出的掛鉤粘在墜子上。這個墜子的作用是，當氣球膨脹時，會將墜子頂起來，形成一個動力活塞。

將切好的底蓋粘在圓筒上，記得多用些膠，務必做到不透氣。在粘頂蓋之前，記得再用輻條做一個鉤子，穿過支架及圓心孔，并粘在移氣活塞上。要注意，一定要粘緊。最后，剪下一塊氣球（面積要比頂蓋的圓洞要大），然后按照頂蓋、氣球、金屬圓筒的順序粘在一起。

在引擎內部都大概完工后，就輪到外部的曲柄了。老規矩，用直尺量出兩根連接在活塞上的連桿所在的位置，然后用筆畫在紙上。要記得，兩個曲軸一定要做成有90度的相位角，否則是無法推動飛輪的。

到這里，就接近成功的邊緣了。在頂蓋上粘上兩個支撐曲柄用的木樁，材質沒什么要求，但是一定要保證，曲柄呈水平放置。接著用輻條制作出兩條連接曲柄和活塞的連桿，并連接起來。

好了，斯特林引擎到這里就基本制作完成了。但是你如果就照這個步驟做下來，其實很難成功，不是因為我們的方法有問題，而是有許多地方需要慢慢調試。如果你做出來它不能正常運行，那么可以照著下面幾點和前面說的引擎運轉原理來慢慢檢查、調試，反正動手時就一個原則—膽大心細。

1．氣密性的保證：氣腔內部的密封非常重要，特別是移氣活塞的傳動連桿，由于是在金屬上鉆洞，所以不能做到完全密封。這時你可以通過涂抹潤滑油的方式來解決，或者可以用潤手霜來替代。它們不僅能讓連桿移動更加順暢，還有很好的密封性。當然，你也可以用其他的東西來增加密封性，比如玻璃膠。

2．動力活塞的連接：連接金屬管、氣球和頂蓋時，有個細節值得注意。那就是氣球在粘貼時，最好保持它最自然的狀態，不要進行拉伸，否則會影響膨脹的效果。當然，最重要的前提是一定要粘緊。

3．曲柄與連桿的調試：曲柄與連桿之間的縫隙不宜過大，否則會影響力的傳遞。最理想的情況是將連桿頭折出一個正圓穿過曲柄，當然，這非常考驗你的手工能力，畢竟自行車輻條的強度很高，要想用鉗子把它們折成想要的形狀是有些困難。如果你沒這么高的技藝不妨試試用玻璃膠來填補多余的縫隙。

4．飛輪的調試：許多人會忽略這個東西，其實飛輪對引擎的運轉非常的重要。比如飛輪的位置、重量等，都是有講究的。位置會造成力矩的不同，重量會關系到運轉的流暢性。多數情況下，一張光盤的重量都不夠，需要兩張光盤粘在一起，粘的時候要注意，膠水要摸均勻，否則就起不了飛輪的作用了。

好了，把這些都檢查一遍后，你的引擎應該能運轉正常了。點根蠟燭，對準引擎的金屬底部加熱10秒，然后用手輕輕撥動光盤，不出意外的話，光盤就能一直旋轉下去了。斯特林引擎還能有更復雜的結構，我們做的算是最最簡單的。對此有興趣、又有一定動手能力的Geek們，不妨來《Geek》的官方Blog（www.mcgeek.com.cn）下載圖紙來照著做更加精致的斯特林引擎。