变冲程发动机升功率和比质量功率大，经常工作的四冲程模式负荷率较高，排量小，具有良好的动力性、经济性和排放性。因此，开展变冲程发动机的研究具有理论意义和实际意义。在本文的前期研究工作中，对变冲程发动机的配气相位、热力性能等进行了初步的仿真分析。研究中发现，变冲程发动机在二冲程模式下，其换气方式、换气压力、配气定时和凸轮廓线等均对变冲程发动机的性能有重要影响。为分析这些影响因素及其确定方法，为变冲程发动机的实现奠定理论基础，开展主要研究工作如下：在充分论证国内外变冲程发动机研究现状的基础上，根据传统的内燃机结构及原理，分析了变冲程发动机的工作原理，明确了其两种工作模式——动力模式和经济模式，建立了变冲程发动机动力模式顶进顶排换气方式的配气定时原理图，阐述了四冲程和二冲程发动机主要换气理论，为变冲程发动机换气系统的研究奠定了理论基础。基于发动机热力学理论，运用AVL-BOOST的建模方法，建立了变冲程发动机顶进顶排模式热力学性能仿真数学模型和BOOST仿真模型，按照实验与经验相结合的方法，设置了仿真模型的边界条件和初始条件，经仿真得到了坎贝尔图，以动力性为目标，优化了变冲程发动机动力模式的配气定时，并对仿真结果进行了实验验证。基于流体力学理论，运用AVL-FIRE流场分析软件，分别建立了变冲程发动机动力模式顶进顶排和变冲程发动机动力模式顶进侧排两种换气方式的流场仿真模型，得到了两种换气方式的网格划分方法，对顶进侧排式仿真模型，建立了用固定网格与移动网格相结合划分其体网格的模型，研究了传统网格划分中交界面速度不连续的问题。根据发动机性能仿真分析和实验，设置了两种换气方式下缸内流场分析的边界条件、初始条件和合理的点火提前角，定义了观测缸内工质流动情况的截面。按照定性分析与定量分析相结合的方法，根据换气系统速度矢量场、燃烧温度场和湍动能场，定性分析了变冲程发动机动力模式顶进顶排和定进侧排两种换气方式的换气品质，根据仿真和实验，定量分析了两种换气方式的优缺点，比较研究了两种换气方式的缸内残余废气系数、气缸压缩压力、发动机功率、转矩、油耗率和排放物量等参量，定性分析和定量分析结果表明，顶进顶排换气是变冲程发动机动力模式的合理换气方式。对比分析了不同换气压力时各换气关键时刻的缸内流场纵向截面、不同位置横向截面的速度场和压力场，得出即无气流反喷又能减小换气短路损失的换气压力。在此基础上，基于ADAMS系统动力学和热机耦合理论，建立了曲柄连杆机构动力学模型，仿真得出热机耦合分析所需的压力、温度等边界条件，研究了变冲程发动机的活塞和活塞环等关键件的温度场和热应力场，得出其强度可以满足实验要求。基于ADAMS系统动力学理论，建立了变冲程发动机配气切换机构多柔体系统动力学仿真模型并对各种凸轮片体进行了模态处理；仿真得出该模型下的气门升程曲线并与TYCON刚性弹性体模型的气门升程曲线进行了对比，运用热力学仿真模型分析了这两种气门升程曲线对发动机动力性的影响；分析了多柔性体系统动力学的凸轮廓线的动力学特性，结果表明柔性体凸轮廓线能够更好地满足配气切换机构动力学要求。在此基础上，设计了变冲程发动机经济模式和动力模式的凸轮廓线。根据WH125-6原型机结构及参数，研制了变冲程发动机配气切换机构，确定了试验工况下的点火提前角、喷油脉宽和喷油时刻，搭建了变冲程发动机样机试验平台的，通过发动机台架试验，分析了WH125-6原型机、变冲程发动机经济模式、动力模式顶进侧排和动力模式顶进顶排等机型的性能，试验结果表明变冲程发动机经济模式具有较好的经济性，顶进顶排动力模式则具有较好的动力性。