自由活塞式内燃直线动力装置由自由活塞式内燃机与直线发电机直接耦合，与传统内燃发电机相比具有高燃烧效率，低排放，高功率密度，高机电转换效率，低噪声，可适应多种燃料等特点。作为一种新型的串连式混合动力装置，被认为是与燃料电池等技术并列的革新性未来动力技术。25kW 自由活塞式内燃发电机既可作为游艇、中小渔船等海洋装备的动力设备，还可作为混合动力车（中混）的电力部分，又可用作分布式热电联供，应用前景广泛。

         虽然自由活塞式内燃直线发电机因取消了曲轴连杆及机械飞轮等传动机构而产生很多好处，但活塞运动由于不再受曲轴连杆的机械限位约束，其运动状态完全由活塞两端的作用合力决定。因为每个燃烧周期的喷油量、进气、排气等不可能完全一致，每次燃烧产生的推力会有差异，电机经回复装置回弹到的止点位置就会不固定，从而导致各周期燃烧波动，经过积累后会加剧不稳定运行，甚至导致失火等情况发生。因此，在复杂非线性、时变大扰动的高速高频运动中，如何保持各个运行周期止点位置及运动状态的一致性，让自由活塞式内燃直线发电机持续稳定运行是亟需解决的关键问题。

       实验室在自主开发的第一、二代内燃直线发电机概念样机基础上，通过内燃直线发电机热力学、动力学分析，阐明热机电耦合机理，为系统设计奠定理论基础；研究基于符合内燃机燃烧特性和热动力学性能的的高功率密度高动态响应永磁直线电机设计方法；提出基于虚拟曲轴的耗散Hamilton非线性能量整形控制，通过控制虚拟曲轴半径及等效曲轴转速对自由活塞运动状态、止点位置（压缩比）、输出功率及系统效率等指标进行优化控制。主要研究进展包括：

（1）自由活塞内燃机的燃烧过程分析与仿真

        利用Ansys/Fluent建立了自由活塞内燃机燃烧室活塞多维热力学模型；结合Matlab/Simulink耦合模型获得了自由活塞运动学特性，模拟了自由活塞内燃机的进排气、扫气、点火、喷油等工作过程；分析了燃烧过程，研究了压缩比、扫气方式、点火能量和点火角、空燃比、气门升程、喷嘴形式等参数对燃烧特性、动力特性、温度场分布、效率等性能指标的影响，为后续燃烧与发电耦合控制提供数据支持，同时也为进一步优化内燃机控制参数和结构参数选取提供了强有力的理论指导意义。相关工作共发表EI检索论文5 篇。

                           自由活塞式内燃机燃烧云图                                  启动及正常运行时的动态过程                                           速度与位置关系图