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不知道你有沒有想過,我們現在使用的各種發動機,都是在氣缸內爆炸燃燒后推動活塞運動,從而向外輸出動力,這就是活塞運動,那么有沒有發動機不依靠內部爆炸燃燒產生動力呢
其實,曾經也有過采用其他方式來為發動機提供動力,比如說通過外燃循環的方式,斯特林發動機就是采用的這種方式。
斯特林發動機與內燃發動機不同,其能源是靠外部提供的,可以通過各種方式實現,可以通過燃燒木頭,酒精,柴油等各種燃料來實現。
斯特林發動機是一種熱力外燃循環發動機,與汽車中的內燃機有很大的不同,是由羅伯特·斯特林(Robert Stirling)在1816年發明的,所以這種發動機也就以它的名字而命名的。
也有人將斯特林發動機叫熱氣機或者是熱機,它是利用介質(氫氣或氦氣)的冷熱溫度差來驅動活塞往復運動,從而向外輸出動力。
斯特林發動機曾經被視為非常有潛力的一款發動機,但是如今,斯特林發動機僅用于某些非常專業的領域中,例如潛艇或游艇的輔助發電機中,這是因為在這些領域中,對發動機的噪音要求非常高。
斯特林發動機內部使用的氣體永遠不會離開發動機,沒有像汽油或柴油發動機那樣排放氣體的排氣門,內部也沒有燃燒發生,因此,斯特林發動機非常安靜。
斯特林發動機使用的外部熱源,可以是汽油或酒精等能源,也可以是太陽能或沼氣等清潔可再生能源。
還有就是不會受到氣壓的影響,這是因為斯特林發動機內部的氣體循環都是在完全隔絕的環境下運行的,而普通發動機都需要吸入外部空氣,當氣壓降低時效率也就會降低。
斯特林發動機在工作過程中,都是需要用外部能源對其直接和持續加熱,這就對材料持續耐高溫的性能有較高的要求。
通過使用熱源輻射讓機器持續做工,在這個過程中熱源的利用率并不是很高,還有很多的熱量是在這個過程中白白損耗掉的。
與其它內燃發動機比較,斯特林發動機的反應就會慢很多,這是因為在使用外部加熱做工的過程中,需要更多的時間才能使溫度升高并傳遞到氣缸內部,這也就是說需要暖機。
斯特林發動機不是像現代內燃機那樣,通過點燃燃料來促進空氣快速膨脹而驅動每個活塞,而是使用外部熱源提供動力,以迫使活塞在氣缸內前后移動。
這也就意味著斯特林發動機沒有進氣或排氣,發動機的一側被加熱,另一側被冷卻,讓氣體在膨脹,壓縮和冷卻之間循環,這意味著它可以通過將熱能直接轉換為機械動力。
當通過外部方式加熱時,在封閉區域內的氣體會膨脹并向封閉區域的周圍施加壓力,該壓力可用于獲得任何機械功。
斯特林發動機是閉環熱機,通常,它與外界環境完全密封,并且可以對密封在發動機中的氣體進行膨脹和壓縮。
斯特林發動機擁有2個密閉腔室(一個帶有熱源,另一個帶有冷卻源),氣體被封閉在其中,兩個氣缸是相互連接的,由于加熱后氣缸內部的氣體開始膨脹,將活塞向前推,此時部分氣體進去另一個氣缸冷卻,讓活塞往回收縮,如此反復推動活塞往復運動,進而驅動飛輪輸出動力。
有的小伙伴對這種特別的發動機很感興趣,就想自己DIY做一臺,看看斯特林發動機有哪些零件,如何手工做一臺簡易的斯特林發動機。
一臺簡單的斯特林發動機主要由活塞,氣缸,外部熱源,飛輪以及連接桿等零件組成的。
手工制作斯特林發動機使用的基本材料有,20毫升玻璃注射器(頭部破損或者完整的都可以),15*150毫米玻璃試管,32*15*9毫米軸承。
將完整的玻璃注射器切掉頭部,頭部缺損的需要切磨整齊,并將鋒利的邊緣打磨光滑。
在注射器內活塞內部用鉛筆涂上石墨,讓活塞的運動更加順滑。
將一個帶有圓孔的鐵片用膠粘接在活塞柄上。(塑料片也行)
飛輪就用廢舊的光盤制成,將6張光盤用膠水重合粘接在一起,粘接后的6張光盤重量不能超過100克。
將光盤平均分成5等分,并且分別在10毫米,14毫米,18毫米,23毫米和28毫米,這些不同的半徑上打孔。
再用幾塊木頭,分別做成底座,扣件和支撐件。
將軸承精確地對準飛輪的中心,并用膠粘在飛輪上面。
等膠干后,將飛輪上的軸承安裝在木頭支撐件鐵管上,轉動飛輪看其是否順暢和歪斜。
將適量的鋼絲棉剪成長條狀,并塞入到玻璃試管中。(作用應該是儲存熱量,鐵絲加熱后溫度還可以維持很久)
在試管口外面纏上耐熱膠帶,并在玻璃注射器套管尾部裝上橡膠圈,以起到保護的作用。
再將其兩者用耐熱膠帶密封連接起來,還要測試一下看看是否漏氣。
用一根塑料連接桿,兩端分別用螺絲連接在飛輪和活塞上面,連接處要涂上潤滑油;注射器、連接桿和飛輪必須在一條直線上。
最后,在飛輪上還要增加一個10克的配重塊。
用酒精燈對試管開始加熱,可以從飛輪中心的半徑為14MM的孔開始測試,一個簡易的斯特林發動機就制作成功了。(以上材料完全可以用現有的東西代替,比較簡單。)
盡管斯特林發動機并未在大眾市場獲得成功的應用,但仍有一些發明家或者發動機愛好者在研究它。
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文中圖片截取自Youtube《How to make a Thermoacoustic Engine》文中gif截取自Youtube《How to make a Thermoacoustic Engine》《Animation How stirling engine works.》
劉同