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自由活塞斯特林发动机是斯特林发动机的一种类型，它取消了传统斯特林发动机的曲轴连杆结构，具有结构简单、可靠性高、寿命长、效率高等优点。自由活塞斯特林发动机内有两个自由活塞，两个活塞除了各自固有的动力学特性之外，两者之间还存在复杂的动力学耦合关系，两活塞之间只依靠工作腔内的气体力联系在一起，无任何机械连接。如果简单地对发动机整机进行系统分析，只能得到整机的系统热力学和动力学参数，而忽略了各部件的动力学特性及其相互之间的影响规律，相关的特性信息会被丢失，很难深入研究发动机的内在动力学特性、耦合过程及其对启动运行的影响规律。为此，本文从运动部件着手，分别开展了配气活塞动力学、动力活塞动力学和两个活塞相互耦合的动力学理论分析与实验研究，具体从以下几方面展开: 1.自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的研制 在实验室已有100W级发动机原理样机基础上，重新进行设计改进，增加能够单独开展配气活塞或动力活塞以及发动机整机动力学实验的功能，方便更换不同结构与大小的零部件。设计中首先利用比尔数的概念，初步确定了自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的运行参数。然后，根据斯特林发动机常用的实用等温分析法和旋转矢量法，对前面初步确定的运行参数进行热力学与动力学方面的核算、优化，给出了最终的运行参数与结构参数。 该部分还对实验装置的三大换热器，即加热器、回热器和冷却器进行了流阻损失和换热能力的计算，最终确定三大换热器的结构尺寸。根据材料力学、电磁学和电机学的知识，设计了适用于该装置的板弹簧和直线电机。 2.自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的测试系统 在此基础上，对发动机动力学特性实验装置进行了结构设计、加工，组装、搭建了自由活塞斯特林发动机动力学特性实验装置的实验台。该实验台既可以对配气活塞和动力活塞进行单独的动力学实验，也可以将两活塞耦合，开展整机的动力学实验。 针对自由活塞斯特林发动机动力活塞测量难题，提出应变片位移测量方法，对自由活塞斯特林发动机的活塞位移进行了动态与静态标定试验。试验结果表明，应变片位移测量的静态标定和动态标定虽然存在差别;静态测量的线性度好，动态测量的线性度较差;但当应变片粘贴在板弹簧的涡旋臂中间位置时，可用静态标定代替动态标定。 3.配气活塞动力学特性研究 首先，针对配气活塞动力学的物理模型，借鉴斯特林发动机的Schmidt模型，推导了配气活塞运动的气体压力表达式，并分析了热端温度、活塞行程对系统压比和压差的影响规律。其次，建立了配气活塞的动力学模型，得到动力学模型不再是标准的阻尼受迫振动，而需要在此基础上考虑气体力的作用，并首次提出气体惯性作用效应，结合气体弹簧力、气体阻尼力的概念，利用旋转矢量分析法，分析了压力波与位移在不同相位关系下的气体力作用情况。最后，根据所建立的配气活塞单独运动的动力学模型，开展了一系列配气活塞动力学实验，验证了配气活塞气体作用效应理论。通过实验进一步证明了，配气活塞动力学模型中质量、刚度、阻尼三项参数并不是传统意义的动力学参数，其中还应包含气体等效质量、气体弹簧刚度、气体等效阻尼。 4.动力活塞动力学特性研究 首先，针对动力活塞单独振动的物理模型，借鉴斯特林发动机的Schmidt模型，推导出压力表达式，并分析了热端温度、活塞行程等参数对系统压比和压差的影响。其次，建立了动力活塞的动力学模型，得到动力学模型不再是标准的阻尼受迫振动，而需要在此基础上考虑气体力的作用，利用旋转矢量分析法，得到了动力活塞的气体惯性力、气体弹簧力、气体阻尼力的作用结果。最后，同样开展了动力活塞的动力学试验研究，测量了活塞运动质量、刚度、阻尼和固有频率等系数，验证了动力活塞气体作用效应规律。 5.两活塞耦合（即自由活塞斯特林发动机整机）的动力学特性研究 首先，针对两活塞耦合振动的理论模型，借鉴斯特林发动机的Schmidt热力学理论，推导出两活塞耦合的气体压力表达式，并分析了热端温度、活塞行程等参数对系统压比和压差的影响。其次，建立了两活塞耦合的动力学模型，认为动力学模型不再是标准的阻尼受迫振动，而需要在此基础上考虑气体力的作用，并将气体惯性力、气体弹簧力、气体阻尼力应用于发动机整机动力学模型，利用旋转矢量分析法，分析了压力波与位移在不同相位关系下的气体力作用情况，得到了发动机正常启动与稳定运行的必要条件。最后，完成了两活塞耦合的整机动力学实验，成功实现了自由活塞斯特林发动机的启动，对发动机的运行结果进行了分析，得到的发动机启动的前提条件与理论分析结果完全一致。该发动机实验样机无负载启动运行参数为热源温度120℃，发动机充气压力0.5MPa，运行频率25Hz;在充气压力2MPa、热源温度350℃、输入热量300W时，输出电功14W。