为缓解环境污染与能源紧缺的危机,研究者们在致力于提高传统内燃机经济性与排放性的同时,也积极探索新型的高效、节能和低排放的汽车动力装置,自由活塞直线发电机(Free-piston Engine Linear Generator,FPELG)在这种背景下应运而生。FPELG由自由活塞发动机与直线发电机耦合形成,能够将燃料化学能直接转化为电能进行输出,由于省去了曲柄连杆机构,其相比于传统发动机(Conventional Engine,CE)具有结构简单、摩擦损失小、能量转换效率高和多燃料适应性等优点,因此成为动力机械领域的研究热点之一。本文依托于课题组搭建的自由活塞汽油直线发电机(Free-piston Gasoline Engine Linear Generator,FPGLG)样机,通过建立缸内三维数值仿真模型并结合样机试验重点研究了以汽油为燃料的点燃式FPELG的缸内燃烧与传热过程特性,并在此基础上对FPGLG的缸盖进行了热机耦合有限元分析。首先对FPGLG开展多维耦合建模研究,通过Matlab/Simulink搭建的零维活塞动力学模型得到FPGLG的活塞运动规律曲线,并将之导入到AVL/FIRE模型中建立CFD燃烧与扫气过程仿真分析的动网格模型,经过模型间计算结果与初始条件的耦合迭代,得到边界条件设置合理的CFD燃烧分析模型,并通过样机试验数据对建立的CFD燃烧模型进行验证。基于三维CFD数值计算结果,研究了FPGLG在燃烧特性上与传统发动机的差异,包括燃烧过程中的气体流动特性,动力性、经济性与排放性参数,燃烧放热规律以及燃烧持续期特性等。在传热方面,对Han-Reitz壁面传热模型模拟的FPGLG缸内传热过程进行了参数规律性研究,分析得到了燃烧室壁面传热参数的时域变化与空间分布特点。最后对FPGLG的缸盖进行了热机耦合有限元分析,重点研究了缸盖热机耦合分析的有限元建模方法,通过计算得到了缸盖在稳态工况下的温度场分布,并讨论了热负荷对FPGLG应力变形水平及密封性的影响。