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石油总会有用完的一天!届时所有依赖石化油料的引擎都将停摆,虽然世人抱着今朝有酒今朝醉的心态,但这个无可避免的问题终究必须解决。即使油料不虞匮乏,敢于超越现状的人都不禁要问:有没有比现有引擎更好的引擎?

真有像“回到未来”电影那样连烧鞋子、宝特瓶等废物也都能发动,又无污染的引擎吗?有的!这引擎叫作斯特林引擎,不但烧垃圾就能运转,而且可以使用包括工厂废热、酒精、天然气、煤、再生能源、核能、地热、太阳能、海水温差、甚至日夜温差等在内的一切热能;不但能用在工厂、家庭中,也能用在深海、外太空。随着近年科技之进步,面对必须惜用周遭一切能源的未来,斯特林引擎基于其独特的优点,很可能是真的“去到未来”之后最理想的引擎。先进各国正在积极开发应用在各领域的新机型,大规模人力物力的投入方兴未艾,相关的专利如雨后春笋。但台湾在这方面的研究稍嫌落后,大众对此引擎十分陌生。

斯特林引擎除了排放废气污染空气的程度可以降到最低、运转时噪音小、可使用多元能源之外,构造简单也是这款引擎的重要特征,简单到用小玻璃试管、木材、和吉他的钢弦就能自制一具不折不扣的斯特林引擎;用到最精密的工具也不过是高中工艺教室就能找到的小型车床。喜欢吗?何不靠自己动手制作一具。

DIY高速斯特林引擎所需器材

·内径10mm8mm1.2mm的玻璃管各一支。

·直径约1.5cm的铝棒(建议在台北市太原路可货比三家)。

·直径0.6mm的玻璃纤维杆一支(钓具店有售,日本进口的最好,价钱也合理)。

·木条和木板(B&Q特立屋货色齐全)。

·内径2.2mm、外经约3.5mm、长约20cm的橡皮管一条,以及制作试管塞子的PE棒一根(台北市太原路塑胶材料行内均可见)。

·外径约15.4mm的玻璃试管一支(要能置于内径16mm的玻璃试管中滑动)。

·直径约0.35mm(0.016)的吉他钢弦一根(乐器行有售,挑选没有生锈的)。

·内径约16mm的玻璃试管一支(化学实验室或玻璃仪器行都一定有玻璃试管和玻璃管,价格约2030元台币)。

·外径5.8mm、内径约0. 4mm的玻璃毛细管一支(学校实验室应该找的到,以能容纳吉他钢弦从中穿过为原则)。

·直径1.0mm的钢棒二根(钢棒可向卖钻头的厂商买,事实上就是尚未车制出螺纹的钻头,钢棒用作转轴,内径1.2mm的玻璃管用作轴承。当然,同样粗细的碳纤维杆也可作为转轴)。

·制作飞轮用的珍珠板和铜片。

·用到的工具包括有:小型车床和钻床、钻石轮锯(五金工具行有售,售价仅台币数百元);美工刀、砂纸;AB胶等。

注:原文为繁体,本站发布时未转译,但为方便读者阅读,直接将繁体转为简体。

 

斯特林引擎的制作过程

图一为本引擎的全貌,约3.9 cc单汽缸,以95°医用酒精为燃料(当然98 95 无铅汽油也成,但燃烧汽油非常危险,不仅挥发性高,热量惊人,因而安全堪虑;使用无烟蜡烛作燃料是最佳的选择,因为即使打翻也不致于剧烈燃烧)。


图一:分别从自制斯特林引擎的前方(A)和后方(B)拍下的实物照片,这引擎看起来十分简洁。

利用钻石轮锯,将外径1.2 cm 、内径1.0 cm 的玻璃圆管锯成约7 cm 长,作为汽缸。并且使用小型车床,将直径约1.5 cm的铝棒,车成恰好可在汽缸中滑动的活塞,活塞长约2.2 cm。用钻头将此活塞中心掏出一个直径约0.6 cm 的圆穴,使此活塞成为圆杯状。在圆穴中塞入小圆木柱,木柱中心有一孔,塞入直径0.6 mm 的玻璃纤维杆,用AB 胶黏合木柱、活塞和玻璃纤维杆,此玻璃纤维杆待组装时再与白杨木制成的动力连杆黏合。以PE 棒制成的底座塞住汽缸底部, PE 棒轴心挖出一个直径6 mm 朝向汽缸的穴,侧面再钻直径3.5 mm 的孔通入穴中,此孔恰容外径约3.5 mm 的橡皮管塞入,使橡皮管可经PE棒连通汽缸(图二)。

 

图二:铝制活塞、活塞上的玻璃纤维杆、橡皮管、玻璃汽缸、汽缸下方PE底座的特写镜头。

 

 

其次,将外径15.4 mm 玻璃试管的长度裁短成5cm,并将管口以PE棒车成的塞子塞住,此塞子中心钻一小孔,塞入吉他钢弦,使吉他钢弦牵动这个较小试管作成的移气胴体。内径约16 mm 的较大玻璃试管作为温差气室,将较小试管置于其中,大试管管口也用PE 棒制成的塞子塞住,此塞子一端密合大试管,另一端较细,直径略小于8 mm ,塞子轴心钻一恰容玻璃毛细管(内径0.4 mm ,外径5.8 mm)的孔,将玻璃毛细管塞入,塞子较细一端再套上一截内径8mm 的玻璃管。塞子另外钻一恰容外径3.5 mm 的橡皮管塞入的小孔。牵动小试管的吉他钢弦由玻璃毛细管穿出,并以AB 胶与白杨木制的移气连杆(长13cm)牢牢黏好,小试管被移气连杆牵动,在大试管中至少要能够往复移动17 mm 。白杨木连杆与吉他钢弦连接处雕刻成一金针菇形的膨大结构,金针菇形的膨大结构于往复运动时均在内径8 mm长约3 cm的玻璃管中,以确保吉他钢弦顺利伸入内径0.4 mm 玻璃毛细管(图三)。

图三:移气胴体、温差气室、内径8 mm玻璃管和其中金针菇形膨大结构的特写镜头。

内径1.2 mm ,锯成4 cm 长的玻璃管作为轴承,直径1 mm 的钢棒恰可于其中轻易转动,作为转轴。钢棒转轴一端装有白杨木制的曲柄,曲柄上设有另一根较短的(直径也是1 mm )钢棒,作为曲轴。曲轴和转轴的垂直距离约8mm,两者虽不在同一直线上,但应力求平行;钢棒转轴另一端装有飞轮(图四),飞轮用珍珠板制成,飞轮黏在钢棒转轴上由PE 棒制成的圆盘,飞轮外缘则黏上铜片以增加其转动惯量(rotational inertia)

图四:曲柄、曲轴、转轴、飞轮、玻璃轴承的特写镜头。

组装时,镂空一木质支架,支架上方钻一孔,孔中插入玻璃轴承,钢棒转轴、飞轮、曲柄、曲轴均安装妥当,这个轴承支架先固定在木质底座上,轴承距木质底座的高度约12.5 cm 。另外再用木条制作气室支架,用AB 胶将试管制成的温差气室直接黏在支架上,具有膨大结构之移气连杆另一端的小孔先套在曲轴上,用手拨动转轴,调整气室支架位置,使较小试管制成的移气胴体在温差气室中被牵动而往复运动时,不会撞到较大试管的底部,也不会撞到试管管口的塞子,由此确定这气室支架的位置之后,将其用AB胶黏在底座上。汽缸则固定于转轴正下方,活塞置于其中,动力连杆一端的小孔也套在曲轴上,活塞上的玻璃纤维杆先暂时用双面胶黏在动力连杆上,试着转动转轴,看看活塞往复运动时不会撞到汽缸底部或超出汽缸管口,再用AB胶黏合玻璃纤维杆和动力连杆。最后用外径3.5 mm 的橡皮管连通汽缸和温差气室,引擎即告完成。

 

发动引擎

这具经笔者简化的引擎,零件特别少,只有寥寥几样;组装容许较大误差,顶多用上直尺作参考来目测一下,看看该垂直的地方是否大概垂直,该平行的地方是否大概平行而已,根本无需精密工具,所花的时间大多用在等待每一步骤的AB 胶完全硬化(约半小时);连轴承甚至都用现成的玻璃管,各项零件之制程简单,唯一要求精度的地方是活塞要与汽缸维持一定的气密,但这精度几乎任何车床加工活塞时都可以办到。因此,发生失误而尽弃前功的机率微乎其微。走笔至此,所有胶都应该硬化稳定了吧,可以开始点着酒精灯,用火焰直接加热试管底部,约30~40 秒后,拨动飞轮,这具手工制作的引擎随即静静地加速运转,转速可以快到每分钟 600 转以上(图五)。

图五:引擎转动的情形,底片曝光时间1秒。

最佳化的空间

这具高速斯特林引擎还有改进的空间。例如,在不增加飞轮重量的前提下,增加飞轮的刚性和其转动惯量;尽可能减轻连杆的重量;最佳化直径0.6mm 玻璃纤维杆的弹性;改变仪器胴体的材质,使其又轻又强韧;乃至于用散热面积大、导热性高的材质制作温差气室的支架,使温差气室可以长时间保持温度差。

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