自制斯特林发动机制作教程及斯特林发动机原理、图纸

一杯咖啡不能化身为一杯汽油，但是它一样可以用来驱动一个发动机，只不过这个发动机有点特别，是用硬纸板做成的小型发动机，当然也不是全部用硬纸板做成，还包括黄金冲件，激光切割的铝片，低摩擦的塑料轴承以及弹性钢丝。来自德国一家叫作Astromedia，以生产硬纸板小发明和小玩意为主的公司。

这个能在一杯热咖啡上就能转起来的发动机，正是斯特林发动机（Stirlingengine），由于能源，环境和可持续发展等人类问题的影响，人们开始热衷发展斯特林发动机，由RobertStirling（罗伯特斯特林）在1816年发明的外燃发动机。前不久我们网络文摘收过一篇文章，讲著名的发明家DeanKamen（Segway的发明者）也在挪威成立一个公司，投身于他的下一个大项目，就是使用斯特林发动机的交通工具的计划。

斯特林发动机是活塞式热气发动机，在外部加热密封气室，里面的气体（氢气或氦气）膨胀推动活塞做功，膨胀后的气体在冷气室冷却，然后进入下一个流程。同样只要有一定值的温度差存在，都可以形成斯特林发动机，比如上面这个咖啡杯上的斯特林发动机，如果下面是冰块，它也能转起来，而且比里面是热咖啡（或热水）还要持久，一个小时左右。斯特林发动机可以使用多种的燃料，各种可燃气体估计是最佳材料，DeanKamen还用牛粪来作过燃料。而且排气洁净，还有一个优势相对于内燃机来说，因为没有气体爆炸，所以大大降低了噪音污染。

这个“玩意”是不是设计也没什么值得讨论的，以前人们总是很难分辨设计师或者发明家，但现在来说好像足够分明了，设计师是明星，艺术家……，而在国内发明家基本都是农民。如果你既是设计师，又是发明家，那么肯定会得到更多人的敬佩(人人喜欢hardcore)，如果你还有商业头脑，那你就是下一个Dyson了。虽然说学科细分很难让普通人精通几般武艺，但这不是100%的，因为一方面设计本来就是知识面广泛的学科，有深入钻研的机会，另外还有想成为非普通人的普通人呢。下面是这个咖啡杯上的斯特林发动机一个gif小动画。

斯特林发动机简介：斯特林引擎(Stirling Engine)的优势特色与问题

从 Stirling Engine 的原理与结构来看，它有几项颇具优势的特点：

1.、其使用外部热源，因此只要是能够产生热，皆可用来做为推动的能源，

所以并不仅限于可燃烧的燃料。而由于内燃机常令人诟病其排放的废气，会产环境污染的问题，因此能够使用地热、太阳能等自然的能源来运作StirlingEngine，显然在此方面是具有优势的。

斯特林发动机原理

2.、虽然Stirling Engine 常被归类于外燃机，但实际上，只要能够产生温差，

就能够成为运作的能源，因此使用低温流体，如乾冰、或冰水，同样可使Stirling Engine 进行运作。

3.、由于Stirling Engine 外部热源与工作气体(Working gas)是分开的，因

此没有燃烧废弃物堆积于内部的问题，使用的润滑油周期较持久。

4、由于热源位于外部，因此在调整控制上，比内燃机容易得多。

5、 热源的提供是连续性的，较不会有燃料燃烧不全的情形。

6、比起其他引擎，它的构造很简单，不需要阀门，也没有化油器等机构。

7、运作的温度与压力比起蒸气引擎或内燃式引擎要低且安全的多，因此引擎强度与重量不需要很要求很高。

8、没有燃烧爆炸的作用，运作也很安静，没有剧烈的震动。

以上就是 Stirling Engine 的发展优势。然而，既然Stirling Engine 具有优势，但为何当初它并没有成为普遍的动力系统?显然它仍然有一些问题有待克服或替代方桉：

斯特林发动机原理

1、无法避免热源对热室的侵蚀。毕竟高温差使得其运作效率提高，但也相对的会使活塞机构产生高温或低温侵蚀性的影响，引响运作寿命。

2、虽然在低温差可以运作，但要在低温差下产生大量的动能时，引擎的体积就会很巨大。

3、高低温差的控制很困难，尤其取决于引擎的隔热包装技术。如果无法有效控制，会徒增能源的散逸，减低效率。

4、刚开始Stirling Engine 无法迅速运转，它必须经过一段“暖机时间”。

5、要改变它的能量输出等级是很难的，它无法像内燃机一样用燃油多寡直接去控制动力的大小。

6. 最好的工作气体是使用氢等分子量小的气体，但这些气体不易保存。

所以，以上的这些特性与问题，造成了 Stirling Engine 发展的兴衰。尽管如此，Stirling Engine 仍被利用在进行乾淨、环保的长时期稳定运作的电力生产与低温冷冻上。

斯特林发动机原理

第一步：材料与工具准备：首先要准备的材料与工具如表1、表2 所示。

　　表1 材料表

名称 规格 数量 备注

试管 18 x 150mm 1支 附橡皮塞

玻璃针筒 10 ml 1 支 作为活塞

铜管 内径约φ2mm 2段

铜棒 φ2mm 1根

光碟片 1片

铅线 约φ1.5mm 1包 曲轴

铁丝 细 固定钢丝绒用

钢丝绒 1包 移气活塞

塑胶软管 φ3 mm 1段

木条 180 x 10 x 8 mm 1支 木条

木板 若干 基座

热熔胶 若干

橡皮筋 2 条 固定试管及针筒

小螺帽 内径约φ1.5mm 若干

小铁钉 约φ1.5mm 若干 轴用

冰棒棍 若干

　　表二：工具表

名称 数量 备注

剪刀 1

美工刀 1

剪嘴钳 1 制作曲轴

虎钳 1 制作曲轴

线锯 1 切割木板

电钻 1

直尺 1

记号笔 1 做记号

实验室酒精灯 3~5组 亦可用蜡烛代替

工业酒精 2瓶

铁鎚 1 钉制基架

　　材料图：

第二步：制作步骤

(一)利用手摇钻(或小电钻)将橡皮塞钻出两个孔，一为连通气室用，一为交换器用

(二)将钢丝绒以小铁丝绑绕在铜棒上，製成移气活塞。活塞长度约为试管

长度的一半。

(三)将做好的移气活塞组合上试管。并装上塑胶软管与钻孔的小木块(连

结轴用)。

(四)将玻璃针筒以热熔胶固定在木条上，并用橡皮筋加强固定。针筒后方

黏上钻孔的小木块，以备之后连结轴用。

斯特林发动机

(五)同样将试管固定在木条上。然后以塑胶软管连接。

(六)此时可以稍作测试。加热试管前端，拉动移气活塞，看看针筒是否会前后伸缩移动。如没有，则应该检查是否出现漏气现象。

(七)在木条前 10mm 钻一φ1.5mm 的孔，接着依下列尺寸，将铅线弯曲制作曲轴，并黏合光碟片。要注意针筒与移气活塞必须有相差90 度的相位角。

(八)计算移气活塞的活动长度，在冰棒棍上适当钻孔以符合，将木条与冰棒棍切割钻孔。

(九)最后将钻孔完毕的冰棒棍以小铁钉组合上去，即完成本次活动制作。

第三步：测试与完成

要使自制的Stirling Engine运作，首先在试管下至一酒精灯，待烧热约1分钟，试着转动光碟片即可。如果旋转不够顺利，试着微调相位角度;又或者旋转的连续性(贯性)不够，可在光碟片上夹上小夹子，以增加其惯性转动力量。

注意事项：

虽然，本次制作的 Stirling Engine 教具结构简单，但整个史特灵引擎制作的关键，就在曲轴与活塞，因此有几点影响制作成功与否的关键要点要注意：

1. 气体交换室(试管)的密闭性要高，尽量不要有漏气现象。

2. 曲轴角度要呈90 度，移气活塞的相位角要比活塞提前90 度。

3. 移气活塞的铜棒管接合处，要尽量能滑顺，但又不能有大量漏气现象，挑选铜管与铜棒时，公差要配合好。

4. 曲轴旋转的流畅度是关键，这个部份需要的精密度较高，尽量能以模具或电动工具製作。

5. 连结曲轴的冰棒棍要尽量平行推动，不要有分向力量减低推动。

6. 光碟片的目的是要增加其旋转惯性，如惯性不足，可用小夹子夹住光碟片来调整。斯特林发动机