怎樣用易拉罐制作斯特林發(fā)動機模型

斯特林發(fā)動機，又稱外燃式發(fā)動機。它依靠封閉在氣缸內(nèi)的氣體熱脹冷縮產(chǎn)生的力工作。與傳統(tǒng)的蒸汽機和內(nèi)燃機相比，它沒有復(fù)雜的配氣系統(tǒng)，能使用各種能源。它的工作介質(zhì)（一般情況下用空氣即可）在封閉的氣缸內(nèi)往復(fù)流動，既不象蒸汽機那樣需要高壓水蒸汽和消耗水，也不象內(nèi)燃機那樣爆炸燃燒，因此制作容易，成本低廉，安全環(huán)保，作為熱機教學(xué)內(nèi)容的知識拓展和輔助教具是很合適的，職業(yè)學(xué)校的機械班學(xué)生自己制作實驗，也是很好的項目。

圖1 實物圖

制成的簡易斯特林發(fā)動機實物圖如圖1。工作原理請參看圖2和圖3：發(fā)動機在受到熱源加熱時，封閉在熱置換氣缸和動力氣缸內(nèi)的空氣，受熱膨脹推動動力活塞上升，動力活塞運動時帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸帶動熱置換活塞向上運動，空氣穿過熱置換活塞流向熱置換氣缸的熱端，繼續(xù)膨脹推動動力活塞上升;動力活塞上升到上止點時被飛輪的慣性帶動通過上止點，此時在冷端經(jīng)過冷卻的熱置換活塞已開始向下運動，空氣流經(jīng)低溫的熱置換活塞到達冷端受冷收縮，拉動力動力活塞下降。熱置換活塞和動力活塞相互配合，使發(fā)動機持續(xù)運轉(zhuǎn)下去。

圖2 斯特林發(fā)動機剖面圖

①熱置換氣缸 ②熱置換活塞 ③動力氣缸 ④動力活塞⑤支架 ⑥曲軸 ⑦飛輪

圖3 斯特林發(fā)動機工作過程

材料和工具：

鐵質(zhì)八寶粥易拉罐3個。自行車輻條3根，要求輻條帽能在輻條桿上自由滑動?？昭栏喙芤粋€。廢舊的光盤3張。氣球一個。有韌性的泡沫塑料一塊（如拖鞋底）。大頭針一個，直徑2毫米鐵絲20厘米。透明膠布。廢圓珠筆管。

使用的工具為鉗子，剪刀，電烙鐵和焊錫（沒有電烙鐵也可以使用二合一強力膠），錐子或鉆，直尺，圓規(guī)。

制作方法：

本設(shè)計使用的是八寶粥罐易拉罐，因為它的開口是一個大圓形，而飲料易拉罐的開口較小，需要擴口。文中所給尺寸沒有嚴格要求，并盡量說明設(shè)計原理，以便讀者可以用其它容器自行設(shè)計制作。

一、 加工支架易拉罐

取一個易拉罐，在距罐口2厘米處左右對稱地鉆兩個孔，孔的直徑略大于自行車輻條的直徑。這兩個孔是曲軸主軸（參見圖1圖2圖5）運轉(zhuǎn)孔。

在此易拉罐的底部正中鉆一個孔，插入自行車輻條帽。為了保證輻條帽的螺孔和易拉罐的軸心同心，在易拉罐塑料蓋的中心鉆一個小孔，蓋在罐口。用一根輻條穿過輻條帽，再從塑料蓋的小孔伸出，用電烙鐵將輻條帽和罐底焊在一起。見圖4。此孔是熱置換活塞桿滑道。

圖4 支架易拉罐底部圖

二、 制作熱置換氣缸和動力氣缸

1.制作熱置換氣缸。

在一個易拉罐壁距罐口4厘米處鉆一個直徑4毫米左右的孔。此孔最好從罐內(nèi)向罐外鉆，鉆好后毛刺朝處，不必處理。

2.制作動力氣缸。

取半個易拉罐作為動力氣缸。在距罐底1.5厘米的罐壁上鉆一個直徑4毫米左右的孔，用于連接熱置換氣缸。

3.連接熱置換氣缸和動力氣缸。

用鐵皮卷一個直徑1厘米、長2厘米的圓筒，把接縫焊牢。把熱置換氣缸、圓筒和動力氣缸焊接在一起。這樣兩氣缸通過壁上的孔和圓筒，形成了一個空氣流通的通道。熱置換氣缸和動力氣缸之間的連接筒做得較粗，是為了增加強度。

三、 制作曲軸和熱置換活塞系統(tǒng)

1.制作曲軸。

用自行車輻條按圖5形狀和尺寸彎制曲軸，轉(zhuǎn)角處順滑一些，尺寸差不多就行，要求不嚴格。彎制前在車輻條上套上一段圓珠筆管，要緊一些，以防止曲軸在支架上串動。順著曲軸主軸方向觀察時，動力活塞曲柄與熱置換活塞曲柄之間成90度角。

圖5 曲軸

①曲軸主軸（右側(cè)白色部分為圓珠筆管）

②熱置換活塞曲柄（長度約1.5厘米） ③熱置換活塞連桿軸

④動力活塞曲柄 （長度約1厘米） ⑤動力活塞連桿軸

2.制作熱置換活塞上的擋片。

見圖6。

圖6 熱置換活塞上的檔片及組裝后的熱置換活塞

3.制作連桿和熱置換活塞桿接頭。

用一塊長5厘米，寬16毫米的鐵皮，對折成長5厘米，寬8毫米的鐵皮，這樣做是為了增加強度。在此鐵皮兩端各鉆一個孔，一個孔的直徑略大于自行車輻條的直徑，另一個孔的直徑略大于大頭針的直徑。連桿就制作完成了。再制作熱置換活塞桿連接頭。取一塊3厘米長8毫米寬的鐵皮，中心鉆孔插入輻條帽，焊牢，在輻條帽頂端也焊一點焊錫，使輻條能夠擰緊到輻條帽上而不能穿過它。在鐵皮兩端各鉆一個與大頭針粗細相當?shù)目?，把鐵皮兩端向上折成U形。用大頭針把這個連接頭和連桿連接起來。見圖7。

圖7 熱置換活塞連桿和活塞桿接頭組件

一、 整體組裝與制作動力橡皮膜組件

1.把熱置換活塞裝入熱置換氣缸，熱置換氣缸口與支架易拉罐底對齊，曲軸主軸線與熱置換氣缸和動力氣缸的連接筒平行。用手把住兩個易拉罐，搖動曲軸，如果曲軸轉(zhuǎn)動靈活，就用透明膠布纏繞接縫處，否則查明故障原因，排除故障。纏繞時拉緊透明膠布，使罐口與罐底之間接合牢固不透氣。

2.制作動力活塞橡皮膜組件。把氣球橫向剪開，取碗形部分，碗底正中間剪一個小洞。按照圖8把一段鐵絲與螺絲桿連接起來，鐵絲就是動力活塞連桿。制作兩個泡沫塑料圓片，圓片中心鉆孔。在螺桿上依次穿上圓片、氣球、圓片，擰緊螺母。

3.在動力氣缸口處纏繞兩層透明膠布，膠布邊緣比氣缸口略高，以防止氣缸口割破氣球。把氣球套在動力氣缸口上，不要把氣球拉得太緊，在包住氣缸的氣球外部纏繞透明膠布，使氣球不能從氣缸口脫落。鐵絲靠近曲軸動力活塞連桿軸，此時由于熱置換活塞的重力作用，動力活塞曲柄處于水平狀態(tài)。把鐵絲在軸上繞一圈，多余部分剪斷。找一只舊棉線襪子，剪去腳尖部分，剩下的部分卷成寬4厘米的圓環(huán)套在罐口與罐底的接縫處，做為散熱器。

圖8 動力活塞組件

二、 組裝支架易拉罐、曲軸和熱置換活塞系統(tǒng)

1.把曲軸飛輪端穿過支架易拉罐的一個孔，把連桿放到罐內(nèi)穿到曲軸上，向各個方向試著旋轉(zhuǎn)曲軸，直到連桿穿到熱置換活塞連桿軸上，曲軸飛輪端從支架易拉罐的另一個孔穿出。在曲軸飛輪端穿上一段圓珠筆管固定曲軸，使它能夠自由轉(zhuǎn)動而不左右串動。把一根自行車輻條從支架易拉罐底部的車輻條帽中擰過，再擰緊到熱置換活塞桿接頭的車輻條帽上。用兩段C型圓珠筆管夾在曲軸上連桿兩側(cè)，左右調(diào)節(jié)連桿位置，使曲軸轉(zhuǎn)動靈活。

2.確定熱置換活塞桿長度。轉(zhuǎn)動曲軸，使熱置換活塞連桿軸降到最低點（離支架易拉罐罐口最遠處），因八寶粥易拉罐做的熱置換氣缸的深度為118毫米，留出5毫米的間隙，從支架易拉罐罐底算起，保留113毫米長的車輻條，多余部分截斷。

3.把一個熱置換活塞檔片穿入活塞桿，小圓筒方向向下。轉(zhuǎn)動曲軸，使熱置換活塞連桿軸升到最高點。移動檔片，使它到達距支架易拉罐罐底5毫米處。把鋼絲清潔球穿在活塞桿上，再把另一個檔片穿到活塞桿上，檔片上的小圓筒方向向上。拉伸揉捏鋼絲清潔球，使它布滿兩檔片之間，并略粗于易拉罐內(nèi)徑。參見圖6。

六、制作飛輪

用一個大號的牙膏管，擰下管帽，把光盤套在牙膏管上，再擰緊管帽，剪去多余的牙膏管，飛輪就制作完成了。用一小段竹筷子把飛輪固定到曲軸上。也可以用其它圓形材料制作飛輪，但用光盤和牙膏管制作的好處是能方便地增減光盤數(shù)量，研究飛輪質(zhì)量對發(fā)動機工作的影響。

使用方法

把散熱器用水浸濕，燃氣灶打到小火狀態(tài)，然后把發(fā)動機架在燃氣灶上，熱置換氣缸底部正對火焰，用手轉(zhuǎn)動曲軸，過一會感到發(fā)動機有動力輸出后松開手，發(fā)動機就自己轉(zhuǎn)動起來了。在實驗室或課堂上使用時可以使用酒精燈作為熱源，但最好的辦法是使用吃火鍋用的固體酒精膏，它比液體酒精要安全很多。