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斯特林发动机
斯特林发动机是英国物理学家罗巴特斯特林(Robert Stirling)于1816年发明的，所以命名为"斯特林发动机"(Stirling engine)。

斯特林发动机是通过气缸内工作介质(氢气或氦气)经过冷却、压缩、吸热、膨胀为一个周期的循环来输出动力，因此又被称为热气机。

斯特林发动机是一种外燃发动机，其有效效率一般介于汽油机与柴油机之间。

基本信息
∙中文名称
斯特林发动机
∙外文名称
Stirling engine
∙发明者
罗巴特斯特林/Robert Stirling
∙发明时间
1816年
∙类型
外燃机
∙工作原理
斯特林循环
目录1简介
2外燃机
3优点
4缺点
5热气机
6工作原理
7结构类型
8计算方法
9研发改良
10应用
11发展
折叠编辑本段简介
斯特林(RobertStirling，1790-1878) 英国物理学家，热力学研究专家。

斯特林对于热力学的发展有很大贡献。

他的科学研究工作主要是热机。

热机的研制工作，是18世纪物理学和机械学的中心课题，各种各样的热机殊涌而出，不断互相借鉴，取长补短，热机制造业兴旺起来，工业革命处于高潮时期。

随着热机发展，热力学理论研究提到了重要位置，不少科学家致力于热机理论的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。

他所提出的斯特林循环，是重要的热机循环之一，亦称"斯特林热气机循环"。

这种循环，是封闭式的，采用定容下吸热的气体循环方式。

利用这种循环的"斯特林热机"，具有很多特点，如采用外燃，或外热源供热等。

由于这种循环是封闭式循环，能够采用远远大于大气压力的高压气体工作，这样可以提高发动机的单位重量的功率，减小发动机的体积和重量。

斯特林热机在逆向运转时，可以作为制冷机或热泵机，这种设想在现代已进入了实用研究阶段。

折叠编辑本段外燃机
外燃机指燃料在汽缸外燃烧的的发动机。

燃料连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

工质指的是"工作介质"，可以是氢气或者氦气(热力性能较好)
折叠编辑本段优点
与内燃机比较热气机所具备的优点:
折叠一，适用于各种能源。

无论是液态的、气态的或固态的燃料，当采用载热系统(如热管)间接加热时，几乎可以使用任何高温热源,如:
1.生物质能(柴火等)(太阳能放射性同位素和核反应等)，而发动机本身(除加热器外)不需要作任何
更改。

同时热气机无需压缩机增压，使用一般风机即可满足要求，并允许燃料具有较高的杂质含量。

2.太阳能。

这是斯特林发动机较为常见的用途之一。

3.放射性同位素。

常见于用于潜艇、深空的AIP系统。

折叠二，噪音小。

热气机在运行时，由于燃料的燃烧是连续的，因此避免了类似内燃机的爆震做功和间歇燃烧过程，从而实现了低噪音的优势。

这使得它可以用在潜艇上以得到较好的隐蔽性。

热气机单机容量小，机组容量从20-50kw，可以因地制宜的增减系统容量。

结构简单，零件数比内燃机少40%，降价空间大，同时维护成本也较低。

折叠三，不受气压影响。

这是由于斯特林闭循环中工质与大气隔绝产生的。

这使得它非常适合于高海拔地区使用。

折叠编辑本段缺点
折叠 1，对材料要求高。

内燃机的燃气最高温度要比斯特林高得多，但内燃机依靠散热把气缸的温度控制在90度左右，而斯特林发动机的加热器和膨胀腔需要长时间保持在较高的温度，这对材料提出了较高的要求。

折叠 2，热量损失大。

同样是因为长时间保持高温，这使得很多热量通过直接传递和热辐射的形式损失了。

所以需要采取一系列措施来减少热损失，比如把活塞做成中空结构，并且在里面设置多道"热障"。

折叠 3，体积大。

这是由减少热损失的一系列措施导致的，要隔热，比功率就小。

折叠 4.反应慢。

这些是针对常规结构的斯特林发动机而言。

由于热源来自外部，传热需要时间，因此发动机需要经过一段时间才能使气缸的温度变化。

这意味着:
1、在提供有效动力之前需要时间暖机。

2、不能快速改变其动力输出。

折叠 5.密封和润滑的问题
密封和润滑在一定程度上相互矛盾。

由于工作介质是有限的，因此对密封的要求较高，这也是斯特林发动机发明比内燃机早却没能得到很快发展的原因之一。

为了降低摩擦损失，润滑的要求同样较高。

由于润滑油汽化会凝结在回热器上造成堵塞，因此不能使用润滑油，只能干摩擦。

对策:
一般使用聚四氟乙烯(PEFT)和聚醚醚酮(PEEK)以及各种填料(青铜、石墨等)制成的活塞环，具有自动形成润滑层(自润滑)、耐高温(250℃Max)的特性。

折叠编辑本段热气机
热气机(StirlingEngine)是一种由外部供热使气体在不同温度下作周期性压缩和膨胀的闭式循环往复式发动机，由苏格兰人 Robert Stirling在十九世纪初发明，所以又称斯特林发动机。

相对于内燃机燃料在气缸内燃烧的特点热气机又被称作外燃机。

热气机特指按闭式回热循环工作的热机，不包括斯特林热泵或斯特林制冷机。

折叠编辑本段工作原理
右图是配气活塞式斯特林发动机(β式)的原理示意图。

气缸内部充满了气体(即工作介质，简称工质。

)
上面的活塞称为"活塞"或"动力活塞":
上移使得工质"膨胀"，下移使得工质被"压缩";
下面的活塞称为"配气活塞"。

上移使得工质被"加热"，下移使得工质"冷却"。

观察曲轴排布，可知配气活塞领先动力活塞90°，得到的结果是:
1."动力"下移，工质被压缩 -->
2."配气"下移，工质放热冷却--->
3."动力"上移，工质膨胀 -->
4.."配气"上移，工质被加热 --->1.
简单来说就是冷却》压缩》吸热》膨胀》冷却组成的一个循环，即"斯特林循环"
细节来说就是工质膨胀释放出来的功大于压缩工质消耗的功。

热的工质膨胀功比冷的工质膨胀功大，冷的工质比热的工质压缩功小。

那么如果使工质在冷时压缩，压缩功就小，在热时膨胀，膨胀功就大。

得到的结果就是输出功=(膨胀功-压缩功)为正，也就是开始运作。

折叠编辑本段结构类型
斯特林热机的结构有很多，但大都是由α、β、γ三种基础结构变换而来。

常用的有自由活塞式[2]
和四缸双作用式等[1]
自由活塞式斯特林发动机由β式结构发展而来，取消了曲轴、连杆、飞轮等结构，并具有自激振荡自启动以及自动适应负载的能力。

四缸双作用式斯特林发动机由四个α式结构冷热相接组合而成。

气缸上部加热、下部冷却，工质在相邻两个气缸的上下部间循环，4个活塞交替上下，直接驱动斜盘转动，工作较为平顺。

折叠编辑本段计算方法
折叠等温分析法
等温分析法又称为施密特分析法，由Schmidt于1871年提出。

由等温分析法计算得到的有效功率是绝
热分析法的两倍左右。

折叠绝热分析法
绝热分析法是一种"二级分析法"，由绝热分析法计算得到的有效功率一般为实验测试的两倍左右。

绝热分析法物理模型
以上两种分析法均在引用文献中有介绍。

(总页码:32，即21页)[2]
折叠编辑本段研发改良
已设计制造的热气机有多种结构，可利用各种能源，已在航天、陆上、水上和水下等各个领域进行应用。

试验热气机的功率传递机构分为曲柄连杆传动、菱形传动、斜盘或摆盘传动、液压传动和自由活塞传动等。

成功实例有美国STM公司的民用25KW外燃机以及日本亲潮级潜艇使用的斯特林发动机，中国潜艇也有自研成熟的斯特林发动机。

热气机的未来发展将更多的应用新材料(如陶瓷)，可将加热器温度进一步提高，理论有效效率可提升至42%。

斯特林发动机目前有报道，已经开始研究在计算机主板的散热风扇上使用，通过北桥芯片的发热来带动斯特林发动机，以此来给硬件降温，该研究还处于研究阶段(2008.04.11)。

折叠编辑本段应用
随着全球能源与环保的形势日趋严峻，热气机由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视，所以，在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到了广泛的研究与重视，并且已得到了一些成功的应用。

热气机推广中的3个方向包括:
热电联产充分利用它环境污染小和可使用多种燃料及易利用余热的特点，用于热电联产可取得更高的热效率和经济效率。

四联装余热回收系统
低能级的余热回收利用对燃烧系统稍加改进便可利用工场余热、地热和太阳能进行发电或直接驱动水泵，可取得更大的节能效益。

移动式动力源通过对发动机的小型化和轻量化，并改善其控制性能后，亦可以作为推土机、压路机等车辆的动力。

注意斯特林发动机的发明时间是1816，是和蒸汽机差不多的古老的发动机，多年没有引起人们的重视，斯特林发动机的几个特性是非常适合潜艇的，首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低;其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，或者说只要有热源、冷源就能工作，无论烧煤烧碳都可以，只要能发热就行。

折叠编辑本段发展
斯特林循环热空气发动机不排废气，除燃烧室内原有的空气外，不需要其他空气，所以适用于都市环境和外层空间。

另外，斯特林循环发动机是AIP(不依赖空气动力)技术的一个方向，保证常规动力潜艇长时间水下航行，而不需上浮。

18世纪末和19世纪初，热机普遍为蒸汽机，它的效率是很低的，只有3%一5%左右，即有95%以上的热能没有得到利用。

到1840年，热机的效率也仅仅提高到8%。

斯特林对于热力学理论的研究，就是从提高热机效率的目的出发的。

他所提出的斯特林循环的效率，在理想状况下，可以无限提高。

当然受实际的限制，不可能达到100%，但提供了提高热效率的努力方向。

参考资料：
∙1．双作用式斯特林发动机系统的设计与优化. .豆丁网 . 2016-05-7
∙2．100W自由活塞斯特林发动机理论分析和实验测试. .道客巴巴 . 2016-05-2
这种斯特林发动机竟然可以自己动手DIY制作，带上电机发电没问题
石头科技趣闻 2018-04-15 18:43:20
发动机很奇妙，作用巨大，原理却非常简单，主要分为外燃机和内燃机。

汽车上的汽油机和柴油机可归属内燃机系列，而轮船、火力发电厂等使用的蒸汽轮机则为外燃机。

接下来故事的主角——斯特林发动机，则是另一种外燃机。

图1 早期的斯特林发动机产品
外燃机从名称即可初步了解其原理，即燃料在气缸外部燃烧，加热气体等工质做工；不像内燃机，如汽油机，通过油气混合气，在气缸内燃烧做工。

主角是斯特林发动机，因为其工质较简单，不像蒸汽机为水蒸气，而是氢气等，甚至是空气；且结构较简单，已经出现各种玩具模型，而且完全可以手工制作，即可提高动手能力，又可加深对发动机原理的了解。

图2 单缸斯特林发动机玩具模型
斯特林这种外燃发动机，其理论有效效率高于内燃机，利用空气（或其他工质）的热胀冷缩，推动活塞做功。

上图虽然有两个活塞缸，实际类似于汽油机中的一个气缸，接下来将从原理介绍。

图3 斯特林发动机工作原理动图
上图中黄色大活塞表示置气缸，绿色小活塞表示动力缸，可以看到黄色活塞同时将动力缸和置气缸分开，且两个活塞都会连接到曲轴上推动飞轮做工。

一、上升行程
图3中黄色活大塞下方置气缸受热，气体膨胀做工，推动黄色活塞向上运动，使曲轴旋转；动力缸中也因为黄色大活塞的推动，也会向上做工。

示意图如图4，只是动力缸用气球表示了。

图4 上升做功行程
二、下降行程
因为气体做工，气温下降，在飞轮惯性作用下，图3黄色大活塞下方置气缸气体被压缩；且大活塞上方动力缸气体遇冷冷却，体积缩小，可以作为动力，拉动曲轴旋转。

如图5所示，活塞下降，气球体积变小。

图5 下降行程
通过原理可以看到，斯特林发动机不论气体吸热还是放热过程，都可做功，所以理论上功率高于内燃机。

现在已有各种成品玩具模型，理解了原理，还可以仿照着自己制作。

单缸斯特林发动机
四缸斯特林发动机
模型中也可看到置气缸和动力缸成对出现，启动时用酒精灯、煤气灶等加热各个置气缸底部，当温度达到时，用手拨动飞轮旋转，发动起来后，发动机即可自动运行。

带动一个发电机，即可发电。

这样就可以开始DIY了。

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斯特林发动机一般被归为外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。

作为德国工业的结晶，这种剧毒机械玩具简直美到没朋友，来看视频吧。

温馨提示：在wifi状态下观看，留着流量学知识
斯特林发动机是一种热力发动机，与您汽车上的内燃机有很大的区别。

该发动机于1816年由罗伯特·斯特林发明。

斯特林发动机可能比汽油发动机或柴油发动机的效率更高。

但现在，斯特林发动机的使用还仅限于一些特殊领域，如潜艇或用于游艇的辅助发电机，这些地方静音操作非常重要。

尽管斯特林发动机在市场上的应用还没有取得普遍成功，但一些权威发明者正在研究这个问题。

以下是德国牛人教你如何制作斯特林发动机：
斯特林发动机是独特的热机，因为他们实际上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。

斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。

这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气(或氦)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。

以下是用可乐罐制作斯特林发动机，感兴趣的金粉们可自己制作，将图片发到金粉交流圈或直接发送给金属加工小编，跟我们分享哦。

【斯特林发动机的发明者简介】
斯特林（RobertStirling，1790—1878），英国物理学家，热力学研究专家。

斯特林对于热力学的发展有很大贡献。

他的科学研究工作主要是热机。

热机的研制工作，是18世纪物理学和机械学的中心课题，各种各样的热机殊涌而出，不断互相借鉴，取长补短，热机制造业兴旺起来，工业革命处于高潮时期。

随着热机发展，热力学理论研究提到了重要位置，不少科学家致力于热机理论的研究工作，斯特林便是其中著名的一位。

他所提出的斯特林循环，是重要的热机循环之一，亦称“斯特林热气机循环”。

这种循环，是封闭式的，采用定容下吸热的气体循环方式。

循环过程是：
①等容吸热加热；
②由外热源等温加热；
③等容放热，供吸热用；
④向冷体等温放热，完成一个循环。

在理想吸热的条件下，这种循环的热效率，等于温度上下限相同的卡诺循环。

利用这种循环的“斯特林热机”，具有很多特点，如采用外燃，或外热源供热等。

由于这种循环是封闭式循环，可采用传热性能好的工质，同时，工质的腐蚀性也可以很小，如氮气、氢气等气体。

充入的气体工质，还可以加大压力，视封闭系统的情况，能够采用远远大于大气压力的高压气体工作，这样可以提高发动机的单位重量的功率，减小发动机的体积和重量。

斯特林热机在逆向运转时，可以作为制冷机或热泵机，这种设想在现代已进入了实用研究阶段。

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DIY斯特林发动机
2010-10-13 19:41| 发布者: 老A | 查看: 190922
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。

以目
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
斯特林发动机原理制作及相关
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列兵老虎发表于 2014-12-27 13:36:54 | 只看该作者 |只看大图 |阅读模式
本帖最后由列兵老虎于 2014-12-27 13:41 编辑
喜欢DIY的朋友们进来开开眼界，世界上还有这样的发动机——斯特林发动机，我把相关资料整合在一起，方便大家浏览。

斯特林发动机的历史
1816年9月27日，罗伯特·斯特林向在苏格兰爱丁堡的大法官法庭申请了一项关于他开发的节能装置的专利。

就职业而言，罗伯特·斯特林事实上是苏格兰教会的会长，并且他直到86岁高龄依旧在为大家提供服务。

但是他在空闲时间于自己开设的工场内开发热机。

罗德·开尔文在他的一些大学课堂上使用其中一种热机模型授课。

这种发动机是伦敦的牧师罗巴特斯特林（Robert Stirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirling engine）。

斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。

斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。

这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。

外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。

新型外燃机使用氢气作为工质，在四个封闭的气缸内充有一定容积的工质。

气缸一端为热腔，另一端为冷腔。

工质在低温冷腔中压缩，然后流到高温热腔中迅速加热，膨胀做功。

燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换。

由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。

外燃机可以燃烧各种可燃气体，如：天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等，也可燃烧柴油、液化石油气等液体燃料，还可以燃烧木材，以及利用太阳能等。

只要热腔达到700℃，设备即可做功运行，环境温度越低，外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响，非常适合于高海拔地区使用。

但是，斯特林发动机还有许多问题要解决，例如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等。

所以，还不能成为大批量使用的发动机。

斯特林发动机动画演示
下面是一台2.670斯特林发动机的动画演示。