本文对一种新型的发动机——凸轮活塞式发动机进行研究设计。此类发动机与传统的曲柄连杆发动机相比，具有高动力、节能、稳定性好、可靠性高和质量轻以及便于得到独立的压缩比和膨胀比等优越性。本文对此类发动机的研究主要完成了以下工作：分析了此发动机的基本工作原理，对其结构、运动参数以及核心部件——圆柱凸轮机构进行设计和优化计算。在设计圆柱凸轮机构的运动规律时，轮廓曲线分别采用组合多项式运动规律和组合正弦运动规律替代基本运动规律，建立了相应的通用方程，然后采用极大极小法对多个特性值进行优化。优化过程采用MATLAB优化工具箱所提供的优化函数求解本文提出的多目标优化问题。通过优化结果分析比较，利用本文所建立的通用的运动规律，对其优化之后得到的运动规律较常规的运动规律的特性值有明显的改善。通过极坐标法，建立理论轮廓线方程与实际轮廓线方程之间的关系。采用极坐标法可以方便地求解空间机构的设计问题，在设计空间圆柱凸轮时采用极坐标方法设计轮廓线。在完成凸轮机构的设计计算之后，建立了凸轮活塞发动机圆柱凸轮机构三维模型，进行虚拟装配和运动仿真。