自由活塞直线发电机（free-piston linear generator，简称FPLG）作为一种新兴的混合动力装置，具有诸多潜在性能优势，已经引起国内外多家研究机构对其开展研究。但由于它具有特殊的无曲轴运动规律及其引起的其他诸多难题尚未解决，目前仍处于探索研究阶段。本文针对当前研究中急待解决的关键问题，在课题组前期研究的基础上，以压燃式自由活塞柴油直线发电机为研究对象，对FPLG设计方法、工作过程运行机理、启动困难、运行过程性能特征等关键问题开展研究，提出了一种适用于自由活塞直线发电机的总体参数设计方法、完善了对其工作性能特点和运行机理的的认识、从试验的角度研究了样机的运行特点、解决了相关技术问题。具体研究内容与所得结论包括：1.自由活塞直线发电机设计方法研究从动力学特点出发分析自由活塞运动特性，结合能量传递关系分析了自由活塞直线发电机结构参数和性能参数之间的耦合关系，进而提出了一种关于自由活塞直线发电机总体结构参数设计的方法，采用该方法设计了一台压燃式自由活塞柴油直线发电机。并针对自由活塞发动机的无曲轴特点，设计了以活塞位移为控制反馈，适用于自由活塞直线发电机的高压共轨喷油系统。研究结果验证了设计方法的正确性，另外研究还发现对于总体参数已经设计完成的自由活塞直线发电机，活塞组件的工作频率可以看成是活塞运动行程或发动机压缩比的函数。2.自由活塞柴油直线发电机工作性能特征分析以自由活塞特殊的运动规律为出发点，采取耦合建模的方法，详细地分析了自由活塞直线发电机换气过程、燃烧过程、活塞环密封与润滑性能，深入谈论了自由活塞直线发电机与传统发动机在这些方面的差异与联系，进一步获得了自由活塞直线发电机换气、燃烧、密封与润滑等方面的工作特点和运行机理。研究发现，在相同边界条件下，对比传统发动机，自由活塞直线发电机扫气效率和燃烧放热指示效率较低，但漏气损失和摩擦损失较小。3.自由活塞柴油直线发电机启动运行机理研究针对压燃式自由活塞柴油机启动困难的问题，采用一种往复累计能量方法，完成了原理样机的启动着火燃烧，通过试验研究获得了自由活塞柴油直线发电机的启动过程工作性能，并从理论上分析了启动过程活塞运动的非线性动力学特点。研究结果表明，自由活塞发动机启动过程属于自激励振动过程，启动过程活塞运动相轨迹呈现逐渐稳定的运动状态；启动过程中，喷油提前位移的变化对自由活塞运动规律的影响较小，而循环喷油量的变化对启动过程活塞膨胀行程的运动状况影响明显；随着直线电机推力增大，启动过程发动机最高燃烧压力会越大。4.自由活塞柴油直线发电机原理样机试验研究以原理样机为对象，采用试验研究的方法，分析了自由活塞柴油直线发电机不同工作阶段所具有的运行性能特点，重点关注喷油参数和电机参数对各阶段缸内气体压力变化、活塞运动的影响规律。并根据试验数据，分析了倒拖工况小功率自由活塞柴油直线发电机的燃烧放热特点，解释了原理样机不能连续稳定工作的问题。研究结果发现，倒拖工况下两侧气缸压力和压缩比呈现增大并逐渐稳定的变化趋势；对于小缸径自由活塞柴油机，倒拖工况燃烧过程主燃期是在急燃期，而不是的缓燃期，并且大部分燃料按照预混合的方式燃烧，而不是扩散燃烧。