怎样用易拉罐制作斯特林发动机模型

斯特林发动机，又称外燃式发动机。它依靠封闭在气缸内的气体热胀冷缩产生的力工作。与传统的蒸汽机和内燃机相比，它没有复杂的配气系统，能使用各种能源。它的工作介质（一般情况下用空气即可）在封闭的气缸内往复流动，既不象蒸汽机那样需要高压水蒸汽和消耗水，也不象内燃机那样爆炸燃烧，因此制作容易，成本低廉，安全环保，作为热机教学内容的知识拓展和辅助教具是很合适的，职业学校的机械班学生自己制作实验，也是很好的项目。

图1 实物图

制成的简易斯特林发动机实物图如图1。工作原理请参看图2和图3：发动机在受到热源加热时，封闭在热置换气缸和动力气缸内的空气，受热膨胀推动动力活塞上升，动力活塞运动时带动曲轴旋转，曲轴带动热置换活塞向上运动，空气穿过热置换活塞流向热置换气缸的热端，继续膨胀推动动力活塞上升;动力活塞上升到上止点时被飞轮的惯性带动通过上止点，此时在冷端经过冷却的热置换活塞已开始向下运动，空气流经低温的热置换活塞到达冷端受冷收缩，拉动力动力活塞下降。热置换活塞和动力活塞相互配合，使发动机持续运转下去。

图2 斯特林发动机剖面图

①热置换气缸 ②热置换活塞 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：

铁质八宝粥易拉罐3个。自行车辐条3根，要求辐条帽能在辐条杆上自由滑动。空牙膏管一个。废旧的光盘3张。气球一个。有韧性的泡沫塑料一块（如拖鞋底）。大头针一个，直径2毫米铁丝20厘米。透明胶布。废圆珠笔管。

使用的工具为钳子，剪刀，电烙铁和焊锡（没有电烙铁也可以使用二合一强力胶），锥子或钻，直尺，圆规。

制作方法：

本设计使用的是八宝粥罐易拉罐，因为它的开口是一个大圆形，而饮料易拉罐的开口较小，需要扩口。文中所给尺寸没有严格要求，并尽量说明设计原理，以便读者可以用其它容器自行设计制作。

一、 加工支架易拉罐

取一个易拉罐，在距罐口2厘米处左右对称地钻两个孔，孔的直径略大于自行车辐条的直径。这两个孔是曲轴主轴（参见图1图2图5）运转孔。

在此易拉罐的底部正中钻一个孔，插入自行车辐条帽。为了保证辐条帽的螺孔和易拉罐的轴心同心，在易拉罐塑料盖的中心钻一个小孔，盖在罐口。用一根辐条穿过辐条帽，再从塑料盖的小孔伸出，用电烙铁将辐条帽和罐底焊在一起。见图4。此孔是热置换活塞杆滑道。

图4 支架易拉罐底部图

二、 制作热置换气缸和动力气缸

1.制作热置换气缸。

在一个易拉罐壁距罐口4厘米处钻一个直径4毫米左右的孔。此孔最好从罐内向罐外钻，钻好后毛刺朝处，不必处理。

2.制作动力气缸。

取半个易拉罐作为动力气缸。在距罐底1.5厘米的罐壁上钻一个直径4毫米左右的孔，用于连接热置换气缸。

3.连接热置换气缸和动力气缸。

用铁皮卷一个直径1厘米、长2厘米的圆筒，把接缝焊牢。把热置换气缸、圆筒和动力气缸焊接在一起。这样两气缸通过壁上的孔和圆筒，形成了一个空气流通的通道。热置换气缸和动力气缸之间的连接筒做得较粗，是为了增加强度。

三、 制作曲轴和热置换活塞系统

1.制作曲轴。

用自行车辐条按图5形状和尺寸弯制曲轴，转角处顺滑一些，尺寸差不多就行，要求不严格。弯制前在车辐条上套上一段圆珠笔管，要紧一些，以防止曲轴在支架上串动。顺着曲轴主轴方向观察时，动力活塞曲柄与热置换活塞曲柄之间成90度角。

图5 曲轴

①曲轴主轴（右侧白色部分为圆珠笔管）

②热置换活塞曲柄（长度约1.5厘米） ③热置换活塞连杆轴

④动力活塞曲柄 （长度约1厘米） ⑤动力活塞连杆轴

2.制作热置换活塞上的挡片。

见图6。

图6 热置换活塞上的档片及组装后的热置换活塞

3.制作连杆和热置换活塞杆接头。

用一块长5厘米，宽16毫米的铁皮，对折成长5厘米，宽8毫米的铁皮，这样做是为了增加强度。在此铁皮两端各钻一个孔，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大头针的直径。连杆就制作完成了。再制作热置换活塞杆连接头。取一块3厘米长8毫米宽的铁皮，中心钻孔插入辐条帽，焊牢，在辐条帽顶端也焊一点焊锡，使辐条能够拧紧到辐条帽上而不能穿过它。在铁皮两端各钻一个与大头针粗细相当的孔，把铁皮两端向上折成U形。用大头针把这个连接头和连杆连接起来。见图7。

图7 热置换活塞连杆和活塞杆接头组件

一、 整体组装与制作动力橡皮膜组件

1.把热置换活塞装入热置换气缸，热置换气缸口与支架易拉罐底对齐，曲轴主轴线与热置换气缸和动力气缸的连接筒平行。用手把住两个易拉罐，摇动曲轴，如果曲轴转动灵活，就用透明胶布缠绕接缝处，否则查明故障原因，排除故障。缠绕时拉紧透明胶布，使罐口与罐底之间接合牢固不透气。

2.制作动力活塞橡皮膜组件。把气球横向剪开，取碗形部分，碗底正中间剪一个小洞。按照图8把一段铁丝与螺丝杆连接起来，铁丝就是动力活塞连杆。制作两个泡沫塑料圆片，圆片中心钻孔。在螺杆上依次穿上圆片、气球、圆片，拧紧螺母。

3.在动力气缸口处缠绕两层透明胶布，胶布边缘比气缸口略高，以防止气缸口割破气球。把气球套在动力气缸口上，不要把气球拉得太紧，在包住气缸的气球外部缠绕透明胶布，使气球不能从气缸口脱落。铁丝靠近曲轴动力活塞连杆轴，此时由于热置换活塞的重力作用，动力活塞曲柄处于水平状态。把铁丝在轴上绕一圈，多余部分剪断。找一只旧棉线袜子，剪去脚尖部分，剩下的部分卷成宽4厘米的圆环套在罐口与罐底的接缝处，做为散热器。

图8 动力活塞组件

二、 组装支架易拉罐、曲轴和热置换活塞系统

1.把曲轴飞轮端穿过支架易拉罐的一个孔，把连杆放到罐内穿到曲轴上，向各个方向试着旋转曲轴，直到连杆穿到热置换活塞连杆轴上，曲轴飞轮端从支架易拉罐的另一个孔穿出。在曲轴飞轮端穿上一段圆珠笔管固定曲轴，使它能够自由转动而不左右串动。把一根自行车辐条从支架易拉罐底部的车辐条帽中拧过，再拧紧到热置换活塞杆接头的车辐条帽上。用两段C型圆珠笔管夹在曲轴上连杆两侧，左右调节连杆位置，使曲轴转动灵活。

2.确定热置换活塞杆长度。转动曲轴，使热置换活塞连杆轴降到最低点（离支架易拉罐罐口最远处），因八宝粥易拉罐做的热置换气缸的深度为118毫米，留出5毫米的间隙，从支架易拉罐罐底算起，保留113毫米长的车辐条，多余部分截断。

3.把一个热置换活塞档片穿入活塞杆，小圆筒方向向下。转动曲轴，使热置换活塞连杆轴升到最高点。移动档片，使它到达距支架易拉罐罐底5毫米处。把钢丝清洁球穿在活塞杆上，再把另一个档片穿到活塞杆上，档片上的小圆筒方向向上。拉伸揉捏钢丝清洁球，使它布满两档片之间，并略粗于易拉罐内径。参见图6。

六、制作飞轮

用一个大号的牙膏管，拧下管帽，把光盘套在牙膏管上，再拧紧管帽，剪去多余的牙膏管，飞轮就制作完成了。用一小段竹筷子把飞轮固定到曲轴上。也可以用其它圆形材料制作飞轮，但用光盘和牙膏管制作的好处是能方便地增减光盘数量，研究飞轮质量对发动机工作的影响。

使用方法

把散热器用水浸湿，燃气灶打到小火状态，然后把发动机架在燃气灶上，热置换气缸底部正对火焰，用手转动曲轴，过一会感到发动机有动力输出后松开手，发动机就自己转动起来了。在实验室或课堂上使用时可以使用酒精灯作为热源，但最好的办法是使用吃火锅用的固体酒精膏，它比液体酒精要安全很多。