玉柴柴油机备件-斯特林发动机：外燃式发动机的工作原理与优势斯特林发动机意义

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斯特林发动机又称外燃机。它是靠封闭在气缸内的气体受热膨胀和收缩而产生的力量来工作的。与传统的蒸汽机和内燃机相比，它没有复杂的配气系统，可以利用各种能源。它的工作介质（通常是空气）在封闭的气缸内来回流动，既不像蒸汽机那样需要高压蒸汽和消耗水，也不会像内燃机那样爆炸燃烧。因此，它制作简单、成本低廉、安全环保，非常适合作为热机教学内容的知识扩展和辅助教具，也是职业学校机械类学生自己做实验的好项目。

图1 实物图

简易斯特林发动机实物图如图1所示，其工作原理请参考图2、图3：当发动机被热源加热时，封闭在热交换缸和动力缸内的空气受热膨胀，推动动力活塞向上运动。动力活塞运动时带动曲轴旋转，曲轴带动热交换活塞向上运动。空气经过热交换活塞，流向热交换缸的热端，继续膨胀推动动力活塞向上运动；当动力活塞上升到上​​止点时，在飞轮的惯性带动下经过上止点，此时在冷端已被冷却的热交换活塞已开始向下运动斯特林发动机，空气经过低温热交换活塞流向冷端，受冷收缩，拉动动力活塞向下运动。热交换活塞和动力活塞相互配合，使发动机保持运转。

图 2 斯特林发动机的横截面

①热更换气缸 ②热更换活塞 ③动力气缸 ④动力活塞 ⑤支架 ⑥曲轴 ⑦飞轮

图3 斯特林发动机工作过程

材料和工具：

八宝粥铁罐3罐。自行车辐条3根，辐条帽应能在辐条杆上自由滑动。空牙膏管1个。使用过的CD 3张。气球1个。硬质泡沫塑料1块（如拖鞋底）。大头针1个，直径2毫米的铁丝20厘米长。透明胶带。使用过的圆珠笔管1支。

所用工具有钳子、剪刀、烙铁和焊料（如果没有烙铁，可以使用二合一强力胶）、锥子或钻头、尺子和圆规。

制备方法：

本次设计选用的是米粥罐，因为其开口为大圆形，而饮料罐开口较小，需要扩大。文章对尺寸没有严格要求，尽量讲解设计原理，方便读者结合其他容器进行设计制作。

1. 加工支架罐

取一个易拉罐，在距罐口2cm处对称地钻两个孔，孔径略大于自行车辐条直径，这两个孔为曲轴主轴的操作孔（见图1、图2、图5）。

在罐体底部中间钻一个孔，插入自行车辐条接头。为了保证辐条接头的螺丝孔与罐体轴线同心，在罐体塑料盖中央钻一个小孔，盖住罐口。将一根辐条穿过辐条接头，从塑料盖小孔中伸出。用电烙铁将辐条接头与罐体底部焊接在一起。见图4。此孔为热位移活塞杆的滑道。

图4 罐架底部视图

2.制作热位移缸和动力缸

1.制作一个热置换圆柱体。

在罐壁上距罐口4厘米处钻一个直径约4毫米的孔，最好从罐内向外钻这个孔，钻孔后毛刺应朝向方向，无需处理。

2.制作动力缸。

取半个罐子作为动力缸，在罐壁上距底部1.5cm处钻一个直径约4mm的孔，用于连接热位移缸。

3、连接热交换筒与动力筒。

用铁皮卷成直径1cm、长2cm的圆筒，将接缝处焊接牢固。将热交换筒、筒体、动力筒焊接在一起。这样，两个筒体通过筒壁上的孔和筒体上的孔形成空气循环通道。热交换筒与动力筒之间的连接管做粗，以增加强度。

3.制作曲轴和热插拔活塞系统

1.制作曲轴。

用自行车辐条按图5形状尺寸折弯曲轴，边角要圆滑些，尺寸要差不多，要求不严格，折弯前在辐条上套上圆珠笔筒，要夹紧，防止曲轴在支架上移动，沿曲轴主轴观察时，动力活塞曲柄与热位移活塞曲柄呈90度角。

图 5 曲轴

①曲轴主轴（右侧白色部分为圆珠笔管）

②热更换活塞曲柄（长约1.5cm） ③热更换活塞连杆轴

④动力活塞曲柄（长约1cm） ⑤动力活塞连杆轴

2.在热排量活塞上制作挡板。

见图 6。

图6 热插拔活塞上的塞子和组装好的热插拔活塞

3.制作连杆和热位移活塞杆接头。

取一块长5厘米、宽16毫米的铁片，对折后做成长5厘米、宽8毫米的铁片，这样做是为了增加强度。在铁片的两端各钻一个孔，一个孔的直径略大于自行车辐条的直径，另一个孔的直径略大于销钉的直径。现在连杆就做好了。接下来制作热位移活塞杆连接器。取一块长3厘米、宽8毫米的铁片船舶配件，在中间钻一个孔并插入辐条帽，焊接牢固，同时在辐条帽的顶部焊上少许焊料，使辐条可以拧紧在辐条帽上但不能穿过。在铁片的两端各钻一个与销钉厚度相同的孔，将铁片的两端向上折成U形。用销钉将此连接器连接到连杆上。见图7。

图7 热更换活塞连杆及活塞杆接头组件

1、电力橡胶膜组件整体组装及生产

1、将热交换活塞装入热交换缸内，将热交换缸口对准支架罐底，曲轴主轴与热交换缸、动力缸连接管平行。用手握住两罐，摇动曲轴，如曲轴转动灵活，则用透明胶带将结合处缠好。否则斯特林发动机，应查找故障原因船舶自动化设备维修，予以排除。缠好时，应将透明胶带缠紧，使罐口与罐底结合处牢固、不漏气。

2、制作动力活塞橡皮膜组件。将气球横切，取碗状部分，在碗底中间剪一个小孔。将一段铁丝按照图8连接到丝杆上，铁丝即为动力活塞连杆。制作两个泡沫塑料圆盘，在圆盘中央钻孔。将圆盘、气球、圆盘依次套在丝杆上，拧紧螺母。

3、在动力缸口上缠两层透明胶带，胶带边缘要略高于缸口，防止缸口割破气球。将气球套在动力缸口上，不要将气球拉得太紧，将透明胶带缠在包住缸体的气球外面，使气球不能从缸口上掉下来。铁丝紧贴曲轴动力活塞连杆轴，此时由于热位移活塞的重力作用，动力活塞曲柄处于水平状态。将铁丝缠在轴上，剪掉多余的部分。找一只旧棉袜，剪掉袜头部分，将剩余部分卷成4厘米宽的圆环套在口与缸底的接缝处，作为散热器。

图 8 动力活塞组件

2.组装支架罐、曲轴和热插拔活塞系统

1、将曲轴的飞轮端穿过支架罐的一个孔，将连杆放入罐内穿到曲轴上。试向各个方向旋转曲轴，直到连杆穿过热更换活塞连杆轴，曲轴的飞轮端穿过支架罐的另一个孔。在曲轴的飞轮端套上一段圆珠笔管，固定住曲轴，使之能自由旋转，不至于左右晃动。将一根自行车辐条拧入支架罐底部的辐条帽内，然后拧紧到热更换活塞连杆接头的辐条帽上。用两段C型圆珠笔管夹住曲轴两侧的连杆，左右调整连杆位置，使曲轴转动灵活。

2、确定热排量活塞杆的长度。转动曲轴，使热排量活塞连杆轴降到最低点（离罐托口最远）。由于八宝粥罐制成的热排量缸深度为118毫米，因此留出5毫米的间隙。从罐托底部开始，保留113毫米长的辐条，并剪掉多余部分。

3.将热交换活塞塞子插入活塞杆，小圆柱面朝下。转动曲轴，将热交换活塞连杆轴升至最高点。移动塞子，使其到达罐架底部 5 毫米处。将金属丝清洁球放在活塞杆上，然后将另一个塞子放在活塞杆上，塞子上的小圆柱面朝上。拉伸和揉捏金属丝清洁球，使其填满两个塞子之间的空间，并略厚于罐内径。参见图 6。

6. 制作飞轮

取一根大牙膏管，拧开盖子，将圆盘放在牙膏管上，拧紧盖子，剪掉多余的牙膏管，飞轮就做好了。用一小段竹筷子将飞轮固定在曲轴上。你也可以用其他圆形材料制作飞轮，但用圆盘和牙膏管的好处是，你可以很容易地增加或减少圆盘的数量，以研究飞轮质量对发动机运行的影响。

如何使用

用水浸湿散热器，将燃气灶开到小火，然后把发动机放在燃气灶上，热交换筒底部朝向火焰，用手转动曲轴，过一会儿感觉发动机有动力输出时松开手，发动机自己会转。在实验室或教室使用时，可以用酒精灯作为热源，但最好的办法是用固体酒精糊来火锅，比液体酒精安全得多。

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