斯特林发动机是一类以气体作为工作介质,利用双活塞交替运行、推动工质与外部冷热源换热的外燃机,以冷却、压缩、吸热、膨胀四个热力学过程构成的周期循环为特征,将温差能转换为轴功。传统的α、β、γ型斯特林发动机由连杆机构联动双活塞,实现周期且恒定的活塞往复运动。这类热机热力学性能受外部条件影响大、在偏离额定工况时性能低下;摒弃了连杆机构、采用弹簧阻尼效应的自由活塞型斯特林热机,虽然可以提高系统功率密度,但是活塞的振动依然无法摆脱弹簧-质量-阻尼动力学的约束,难以实时调整热力学过程。由于上述系统动力学特性的制约,无论传统亦或自由活塞斯特林机都无法实现理想的斯特林循环,导致目前斯特林机的热力学循环多由四个多变过程组成,过程不可逆、热能损失大。由此可见,工作介质压力-体积曲线是目前限制发动机输出性能的根本原因,而非正弦与活塞轨迹控制的应用极有可能改善热机性能。因此,本研究提出一种全新的活塞变轨型α-斯特林发动机,通过独立控制双活塞连杆长度,实现对活塞位移的主动控制,以提高斯特林机热力学性能。本研究由活塞变轨对热机性能影响的角度切入,研究α型斯特林机双活塞运动轨迹与系统热力学特征的耦合关系。根据封闭空间内工质的控制体能量守恒原理建立传统α型斯特林发动机的数学模型,并构建了模型微分方程的数值与计算流体力学求解方法。提出了参数化活塞轨迹控制方法,建立了曲线设计仿真算法,数值研究活塞轨迹与变轨对输出性能的影响。本研究设计加工了传统与活塞变轨型α斯特林机各一部,搭建了斯特林机性能测试平台,以期验证所提出新机的可行性与数学模型可信性。实验采集了发动机运行时的各项性能相关参量,计算了发动机运行的功率曲线;为了验证变活塞轨迹曲线对α型斯特林发动机输出功提升的效果,开展了活塞变轨热机输出性能测试,取得了传统轨迹曲线与活塞变轨轨迹曲线下的热机实验结果。本研究初步结果发现,传统α型斯特林机的实际热力学循环确为多变过程,仿真模型可较精确地再现实验结果,验证了模型的准确性;本研究设计的活塞变轨迹有着显著的热力学效果,理论上可提高输出功近两倍,验证了先前假设;分析了变轨的活塞轨迹实验结果,实验验证了所设计曲线对功率的提升效果。经验证,活塞轨迹所控制的气体体积曲线是实现等容回热过程的关键,根本原因是活塞轨迹设计决定了传热、边界功与节流损失性能。通过主动活塞变轨,优化等容过程并减少非必要边界运动和节流损失,本研究提出的轨迹曲线可使斯特林热机净输出功可高于传统固定相位发动机。