便携式热动力电源系统是野外作业设备的理想能量来源,其原动机-发动机工作特性对于热动力电源系统性能具有重要影响,通过设计原动机功率传输机构关键参数可以改善原动机特性,提升热动力电源系统性能。本文研究的对象:基于正弦曲线族的凸轮式发动机功率传输机构,以环面双作用凸轮为核心部件,沿凸轮轴线方向对称布置气缸,提高了发动机的空间集成度;以正弦曲线族为设计基础,使得发动机的运行特性会随凸轮型线的改变而发生变化。通过设置不同的凸轮型线参数,分析发动机燃烧特性、功率传输机构力学特性与凸轮型线的关系,并基于不同的优化目标,对凸轮型线进行优化选型。论文的主要研究工作包括:（1）提出了凸轮式发动机总体方案。综合考虑野外工作环境下长时间、广地域的特点,分析发动机应该具备的工作特点,设计了部分指标;在发动机总体结构的设计基础上,分析了气缸增压式燃烧部分和功率传输机构工作原理,并基于不同的凸轮型线生成了相应的凸轮工作曲面。（2）基于零维模型,完成了发动机热力学建模与分析。通过分析两种不同气缸的热力学过程,建立凸轮式发动机缸内热力学零维模型,并分析求解了模型的边界条件;利用CFD技术与理论模型进行对比分析,验证了理论模型的正确性,在此基础上,分析了发动机热力学特性随凸轮型线的变化规律。（3）研究了功率传输机构力学特性。建立发动机功率传输机构坐标系和接触角计算模型,研究了接触角随凸轮型线的变化关系。根据发动机的运行情况,分析了功率传输机构受力情况,建立了受力分析模型,计算出不同凸轮型线条件下受力情况和机械损耗情况。（4）凸轮型线优化建模分析。基于常见优化问题数学模型,建立发动机凸轮型线的线性加权优化模型;利用应用层次分析法,求解出各影响元素的相对权重,并分析了动力性能最优和经济性能最优目标下的发动机总体性能指标。（5）样机动态气密性试验。基于发动机三维模型,加工出实物样机,搭建冷车试验台架,设计并进行了发动机动态气密性试验,试验结果证明机构运动情况良好、并且具有良好的气密性,设计方案科学合理,为下一步进行热车试验奠定了基础。