斯特林发动机作为一种闭式循环动力机械,拥有与卡诺循环相等同的热效率,同时作为外燃机,其拥有优秀的排放特性和广泛的能源适应性。面对能源资源急剧消耗的国际性问题,近30年来斯特林发动机迅速成为学者们的研究热点。斯特林发动机的工作运动特性以及热力学特性直接影响整机输出性能,然而这些实际运动轨迹和发动机内部的热质传递规律很难用科学仪器来测量,因此展开斯特林发动机的动力学和热力学研究,具有很强的工程意义和重要的学术价值；与此同时,根据斯特林发动机实验研究获得的各项性能数据可以用来辅助逆向设计,并有助于修正理论模型,因而搭建斯特林发动机实验台进行实验研究也是非常重要的。本文绪论部分主要介绍了斯特林发动机的发展史,对其关键技术问题进行了总结,分析了近年来国内外在斯特林发动机发电领域取得的相关进展,并描述了斯特林发动机在中国的发展和应用前景。本文的主要工作是设计一台百瓦级的p型菱形传动斯特林发动机并通过实验研究分析其动力输出特性。首先从热力学的角度对现有的斯特林循环进行分析比较,找出各自的优缺点,然后引入了“不可逆因子”的概念,并将其引入斯特林等温分析模型中,由此建立了一套改进的斯特林循环热力学模型。此模型可以用来指导斯特林发动机的热力学设计。从动力学的角度对菱形传动斯特林发动机进行的全面分析,并建立了关于菱形机构的运动学模型和力学模型。该运动学模型通过速度和加速度表达式描述了斯特林各部件的运动特性,而力学模型则通过力与力矩表达式给出了各个部件间的受力关系。应用这两个模型获得了一组斯特林发动机菱形传动机构的初步设计参数。然后又介绍了经典的相似设计方法,并将其首次引入到斯特林发动机的设计中。定义了斯特林发动机的温度比、容积比、无益容积率和容积相位角等无量纲相似参数,以GPU-3型斯特林发动机为参照,给出了一台百瓦级β型菱形传动斯特林发动机的设计参数。考虑到运用以上方法进行斯特林发动机优化设计时,往往只能在同一时间内围绕单一目标求解,这样的解通常受到多个目标间对立关系的影响,不可能是全局最优的。为此,将基于粒子群的多目标优化设计方法(MOPSO)引入到斯特林发动机的优化设计中。首先详细介绍了多目标优化方法和粒子群算法的寻优机理,接下来将斯特林发动机的关键性能指标输出功、热效率以及不可逆因子作为优化问题的三个目标,同时给出了冷腔中的工质温度、热腔中的工质温度、系统总无益容积、系统膨胀容积、系统压缩容积、回热器的热效率、热腔无益容积比、冷腔无益容积比、回热器无益容积比、以及系统充气压力等10个决定变量的约束条件,并将其输入用Matlab编写的多目标优化算法程序中,得到一组帕累托最优解集。然后对比了不同的决策方法,最终选用LINMAP决策方法从帕累托前沿中选取了最终结果。同相关实验数据的比较表明,采用本文提出的多目标优化方法设计的斯特林发动机在输出功和热效率上要比采用传统方法设计的斯特林发动机分别提升15%和20%。运用己获得的优化设计数据,成功自主研制了一台实验样机。为了减少工作腔内工质的流动损失,将加热器设计成内外两圈管道与顶端环缝相连的结构。活塞表面采用双活塞环的密封布置,用来防止工质由工作腔泄露进曲轴箱。根据研究斯特林发动机动力输出特性的目标任务,相应搭建了一套功率测试平台。本实验台以采用电加热设备作为外部热源,在不同的热端温度和工作压力下记录了多组实验数据用于对比分析。最终在热源温度为600℃、工作压力为15bar时获得12.96Nm的最大的扭矩和288W的最大输出功。