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自由活塞斯特林发动机是一种高效的外燃式热功转换机械，几乎可以利用现有的所有热源种类。其取消了传统斯特林发动机复杂的曲轴连杆机构，动力活塞和配气活塞相互之间没有机械结构的限制，运动相互独立，因此具有结构简单，热电效率高，噪声和振动小、自起动、可靠性高、寿命长等优点。自由活塞斯特林发动机有着十分广泛应用前景，主要包括空间深空探测器同位素电源、空间大型核电站、地面太阳能发电站、家用热电联产和国防应用等。世界各国都在进行大量的研究工作，少数国家也取得了一定的研究进展和初步工程化应用。但是目前依旧还有诸多科学问题没有研究清楚，并且由于国外的技术封锁和产品禁运，加上国内重视时间较晚，目前国内自由活塞斯特林发动机的研究还处于起步阶段，没有高性能、高可靠、长寿命的发动机产品，相关的技术难题没有得到解决，发动机的运行特性研究不够深入，内部工作机理不完全清楚，没有形成系统的理论来指导发动机样机设计。因此研究斯特林发动机具有重要的科研意义和实用价值。结合国外的研究现状和国内的实际情况本课题开展了自由活塞斯特林发动机启动和运行特性研究，具体的研究内容和研究成果主要包括以下几个方面。 (1)自由活塞斯特林发动机的启动和稳定运行机理研究 分析了自由活塞斯特林发动机和传统曲柄连杆斯特林发动机的区别和联系。首次提出二者由于能量分配次数的不同导致二者的启动机理也不相同。然后基于能量守恒关系提出了自由活塞斯特林发动机启动的三个必要条件。运用能量传递关系和循环PV图对Alpha、Beta和Gamma型自由活塞斯特林发动机的启动特性进行了分析。最终得出结论Alpha型自由活塞斯特林发动机不同时满足三个启动条件，不可能启动;Beta和Gamma型自由活塞斯特林发动机在一定条件下满足三个启动条件下可以启动。最后提出了电反馈Alpha型自由活塞斯特林发动机，并在理论上证明了其可行性。 (2)自由活塞斯特林发动机热力学特性研究 首先介绍了传统的等温模型和绝热模型的温度分布特点和计算方法，并分析了其和实际相差甚远的主要原因在于没有考虑各种热损失。因此分析了发动机的各种热损失，发现其热腔的热损失最大，并且热腔中的穿梭热损失又占了50％以上。结合等温模型和各种热损失建立了无量纲模型，并用无量纲模型分析了各个参数对发动机性能的影响。然后建立了基于能量守恒方程的热力学分析模型，用该模型和传统的模型进行了对比，发现其具更接近斯特林发动机实际的热力学过程。最后建立了回热器模型，并且用该模型分析了回热器对发动机启动特性、效率和输出功的影响。发现回热器的尺寸存在启动边界线，只有在边界以内发动机才能启动。 (3)自由活塞斯特林发动机动力学特性研究 研究了自由活塞斯特林发动机的动力学特性。首先研究了其气体作用效应，通过分析得知，在理想条件下，不同的位移和压力波相位关系时，动力活塞和配气活塞的气体力的一部分用于克服阻尼对外做功，另一部分可能作为气体弹簧力或者气体惯性力。通过气体力的分析发现最优的相位角关系是，配气活塞位移领先动力活塞位移90°，压力波滞后动力活塞位移90°。在知道了理想条件下的最优相位关系后，建立了动力学模型。该模型对压力波进行了线性化处理，得到了位移相位角和发动机运行频率的计算表达式。 (4)自由活塞斯特林发动机直线电机特性研究 建立了直线电机的模型，用该模型分析了不同条件下动圈式直线电机的输出能力，为线圈的设计改进提供理论指导。同时分析了直线电机的电磁阻尼，为动力学模型的计算提供了数据支持。由于线圈存在电感，导致负载电路处于非谐振状态，效率没有达到最高。因此本论文中采用了串联电容的方法使直线电机的负载电路达到了谐振状态。 (5)自由活塞斯特林发动机样机及其实验系设计 经过理论计算，设计了自由活塞斯特林发动机的换热器、振动系统和直线电机等关键部件，接着对发动机进行了焊接组装，完成了百瓦级样机的研制。然后搭建了包括真空充气系统、负载激励系统和数据采集系统的实验台。最后对实验中用到的加速度传感器和压力传感器进行了实验标定。为后续的理论与实验研究工作打下了坚实的基础。 (6)自由活塞斯特林发动机特性及整机实验研究 基于研制的自由活塞斯特林发动机对前面的启动机理、热力学特性、动力学特性和直线电机特性理论研究进行了实验验证和对比分析。然后对自由活塞斯特林发动机进行了整机的实验研究和优化。实验中首先研究了不同充气压力、加热功率、板弹簧刚度和配气活塞杆直径等重要参数对输出功和效率的影响，得到了每个参数的影响规律。然后对关键部件回热器进行了实验研究和优化，主要测试了回热器的长度、外径和填充丝网目数对输出功和效率的影响。经过大量实验优化最终发动机的输出功达到117W，热电效率为23.4％。