自由活塞式内燃发电机(Free Piston Linear Alternator,简称FPLA)是近10年伴随着能源和环境问题逐渐发展起来的一种新型动力机。它直接将内燃机和直线发电机结合在一起,在结构上取消了内燃机的曲轴连杆系统,整个机构仅存在直线运动。而内燃机的连杆直接作为直线发电机的动子的一部分,将燃烧室内的化学能直接转换为电能输出。与传统旋转内燃机带动的发电机组合相比,此耦合系统结构简单、零件数目少;中途能量转换损失小,摩擦力小,机械效率高;此外,由于活塞行程不受机械限制,内燃机可以运行在较大的压缩比下,燃料适应性较广。目前此特种发动机受到国内外越来越多科研机构的青睐。本文以双活塞式自由活塞内燃机作为研究对象,展开全面系统的研究。首先通过数学建模的方法分析其运动规律与特性;在此基础上展开样机的研制,内容涉及到自由活塞式内燃机机械部分的设计以及相应控制系统的设计;最后又对所研制的样机进行了研发实验研究并与仿真结果进行对比。整个过程遵循分析——设计——调试的思路,基本上将最初的一个想法最终变成一个模型机。本文主要开展了如下研究工作:1.试制了自由活塞式内燃机,设计了一种基于自由活塞式内燃机的直线发电机,结合有限元方法对其尺寸进行优化、对其性能进行了仿真。在所建有限元模型的基础上获得了直线发电机的电磁力与其负载之间的非线性关系并将其成功耦合于所建立的自由活塞式内燃发电机系统的总仿真模型中,弥补了传统仿真模型中关于发电机电磁力不准确的不足。2.对自由活塞式内燃发电系统进行仿真研究。在Matlab/Simulink环境下分别对自由活塞式内燃发电机系统各个部件建立了数学模型并进行系统耦合、调试,掌握了该特殊系统的运动规律。并利用所建立的模型对实际样机的各个设计参数进行研究,分析不同的设计及控制参数对自由活塞系统稳定性的影响。根据所建立的仿真模型,确定了样机的设计和控制参数。3.设计了自由活塞系统供油回路和进排气装置,针对性的设计了自由活塞式内燃机所特有的电磁启动机构,并将此机构附加于所设计的连杆之上。4.研发了适合自由活塞式内燃机的电控软、硬件系统。针对此特殊的直线运动,采用霍尔传感器结合直线位移传感器共同作为判缸依据。所研制的控制系统在现阶段实现了喷油和点火两大功能,预留8路AD转换处理通道。其中点火及喷油时刻均可以通过程序灵活调整,以方便实验研究以及标定控制系统。5.对自由活塞式内燃机样机展开实验研究,考察了该系统的运动规律。研究了不同控制参数下系统响应规律,掌握了自由活塞系统的运动规律(活塞运行速度、运动位移等)以及燃烧室压力随点火时刻、运动质量以及燃空当量比等参数的变化规律,并与仿真得到的结果进行比较分析。6.拓展模拟了HCCI模式下自由活塞式内燃发电机的运动特性,进一步分析了当量比等参数对此系统的影响,为日后样机的进一步发展提供了理论依据。