直线电机式自由活塞发动机(Free Piston Engine,简称FPE)作为一种新型内燃发电动力装置具有结构简单、功率密度高、能量传递路径短等诸多性能优势,已成为混合动力汽车优选方案之一,受到越来越多研究机构的关注。但活塞无机械约束的结构特点使其在运行机理研究与工程技术实现方面存在诸多问题,目前仍处于基础性探索阶段。本文以自由活塞发动机结构热机特性为研究主线,分析了活塞运动及缸内载荷特征,获得了周期内能量转换机理,解析出运行参数与结构参数匹配关系,在此基础上对自由活塞发动机结构传热、活塞环润滑摩擦及活塞应力变形等关键热机特性展开深入研究。主要研究内容与结论如下:(1)FPE活塞运动与缸内载荷特性研究建立了FPE起动至稳态发电过程数值仿真模型,搭建了样机试验测试平台并验证了仿真模型有效性,分析了FPE活塞运动及缸内载荷特征。结果表明,FPE活塞速度-位移环接近倾斜的“矩形”且具有明显的分段线性特征,缸内峰值压力与其持续时间小于曲轴式发动机,缸内气体温度在燃烧阶段与膨胀过程前期低于曲轴式发动机,在膨胀过程后期与换气阶段高于曲轴式发动机。(2)FPE参数匹配关系研究简化了FPE周期内不同阶段能量转换形式,探明了FPE设计参数对其运行状态的作用机理,解析出系统稳定高效运行与发动机起动条件要求的参数匹配关系式并进行了数值仿真验证。研究发现,FPE稳定高效运行状态下的工作频率随气缸直径的增大而升高,随设计行程或运动组件质量的增大而降低。FPE选择较小的缸径行程比或较大的运动组件质量有利于降低其对直线电机起动推力的要求。(3)FPE结构传热特性研究建立了涉及系统动力学、缸内热力学与结构传热学的多物理场耦合传热仿真模型并验证了模型有效性。分析了FPE活塞运动规律与缸内热机载荷特征对其结构传热的影响机理,获得了FPE结构传热特性。研究发现,相对曲轴式发动机,FPE结构温度值、温度梯度以及除气缸套内壁外的结构温度波动幅度均较小,膨胀阶段相同时刻下燃烧室壁面热流密度较小但传热面积较大,气缸套热流量占比较高,热负荷较小。(4)FPE润滑摩擦特性研究建立了考虑FPE缸内载荷、活塞运动及结构温度场特征的活塞环-气缸套润滑摩擦模型,设计了通过直线电机推力推算活塞环摩擦功的试验方法并验证了模型有效性。探明了FPE活塞环润滑摩擦机理与特性,获得了活塞环结构参数对FPE润滑摩擦性能的影响规律。研究发现,相对曲轴式发动机,FPE活塞环摩擦损失较小,摩擦功率曲线在膨胀行程阶段为单峰值且峰值较大,其桶面负向偏移会使摩擦力峰值延后至FPE活塞速度较高时刻,导致较高摩擦功率峰值。(5)FPE活塞应力与变形特性研究通过有限元数值方法计算并分析了FPE活塞在其热机载荷作用下的应力变形特征,获得了负荷与运行频率变化对FPE活塞应力变形的影响规律。研究发现,相对曲轴式发动机活塞,FPE活塞整体应力水平与裙部变形量较小,结构最大应力值与关键点变形量受负荷变化影响较小,但会随运行频率升高非线性增大。