自由活塞内燃发电机(FPEG)是一种耦合了自由活塞发动机和直线电机的能量转化设备,其优越的动力性能和经济性能成为当前研究的重点。由于取消了机械约束和蓄能装置，运行稳定性成为制约其进一步发展的重点和难点之一。为了解决自由活塞内燃发电机稳定运行问题，本文以原理试验样机为主线，提出了一套基于分段控制的活塞组件运行控制策略；针对活塞组件的工作特性，设计了一种双霍尔传感器活塞组件位移检测方法；建立了样机的数学模型，分析启动及稳定运行工况活塞组件受力以及能量转化过程；搭建了单端约束台架，研究了运行参数对缸内燃烧不稳定性的影响，提出了一种改善缸内燃烧稳定性的方法。本文主要研究内容如下：（1）原理试验样机设计设计了自由活塞内燃发电机原理试验样机。样机采用双活塞背置式、二冲程工作方式，火花点燃，自然风冷，CCI分离润滑，化油器供油。样机的启动依靠直线电机拖动，因此设计了电机的状态切换电路，完成电动-发电状态的平稳切换。由于样机工作范围宽，以工作频率、节气门开度为主要分段依据，针对各工况的不同控制目标设计单独的控制策略，以实现广泛工况范围内的精确控制和较高的能量转化效率。（2）活塞组件位移检测方法活塞与缸体、缸盖等部件组成燃烧室，高温、高压环境导致当前常用的电参量式、光电式、磁电式位移传感器不能用于活塞组件位移检测。活塞组件由两侧活塞和直线电机动子组成，活塞组件位移检测可由电机动子间接测量。直线电机动子轴向充磁，磁场正弦分布，基于动子磁场设计了设计了双霍尔传感器位移检测方法，根据磁场变化确定活塞组件的位移及运动方向。（3）自由活塞内燃发电机启动及稳态工作过程仿真分析建立启动过程的数学模型，推导出启动力的简化表达式，探讨了结构参数对直线电机最小启动力的影响。启动过程完成后，进入稳定工作状态，活塞组件在两侧气缸充量燃烧作用力、电机电磁阻力以及摩擦阻力作用下往复运动；建立热力学模型、动力学模型，摩擦力模型和电磁力模型，在Matlab/Simulink环境下，通过模块间的输入输出耦合各模块；模型验证后计算了活塞组件的位移、速度以及加速度曲线。以本文开发的原理试验样机加以分析，得出该样机启动过程中所需的直线电机驱动力的最小值；分析了点火位置等运行参数对样机稳态输出特性的影响。（4）自由活塞内燃发电机缸内燃烧稳定性研究由于FPEG活塞组件完全处于自由态，为了保证安全搭建了单端带约束过渡工况台架，研究缸内的燃烧稳定性以及系统稳定运行的影响因素。以缸内着火比例和循环放热量作为评价指标，分析运行参数对缸内燃烧特性的影响；构建了系统CFD（计算流体力学）模型，分析换气过程；通过与原型二冲程发动机对比分析，发现扫气箱的结构设计导致了换气质量下降。提出了一种双级活塞扫气箱设计方案，改善换气质量，优化缸内燃烧过程。