增程式电动汽车和混合动力汽车是当前汽车工业研究与开发热点,基于Atkinson循环的自由活塞发动机因其结构简单、燃料适应性广和热效率高等优点非常适合作为动力装置用于增程式电动汽车和混合动力汽车。随着汽车工业发展和石油资源日趋枯竭,天然气因资源丰富和清洁燃烧而成为当前汽车替代能源的首选,可同时兼顾现有能源与清洁能源的自由活塞天然气发动机日趋受到重视。为充分发挥自由活塞天然气发动机的优势,改善发动机的动力性和经济性,本文以试验研究与数值模拟相结合的方法,对四冲程自由活塞天然气发动机热力过程进行分析。为分析四冲程自由活塞发动机内部燃料能量转换过程的优劣及其主要影响因素,依据四冲程自由活塞发动机工作原理,对其工作过程进行适当简化,建立基于缸外独立压缩的四冲程自由活塞发动机理论循环模型。应用热力学第一定律和第二定律对其进行分析,结果表明,基于Atkinson循环的四冲程自由活塞发动机循环热效率和(?)效率都高于传统Otto循环发动机,膨胀比增大可以提高发动机热效率。分别定义了最优膨胀比和膨胀比极限,膨胀比极限小于最优膨胀比,因此自由活塞发动机达不到理论计算的最大热效率。在确保缸内压缩终点压力和温度可顺利点火的情况下,缸外压缩比缸内压缩更有利。在原四冲程自由活塞汽油机原理样机基础上,设计天然气电控喷射系统,改进点火系统,搭建四冲程自由活塞天然气发动机原理样机试验平台,并在完成试验设计基础上,对四冲程自由活塞天然气发动机原理样机主要性能进行测试、对试验结果进行分析,验证四冲程自由活塞发动机的多燃料适应性。基于自由活塞运动特点,建立自由活塞动力学模型；借用通用流体计算软件平台,开发逐步解算自由活塞运动规律计算模块；依据建立的四冲程自由活塞发动机缸内工作过程多维瞬态数值模拟计算模型,探讨自由活塞运动规律对缸内流场的影响并对所建模型进行校验,给定规律下缸内压力的预测曲线与试验曲线吻合较好,进一步说明整个缸内工作过程多维瞬态数值模拟中全过程模拟计算的真实性、数学模型的准确性和活塞运动规律定义的合理性。在自由活塞发动机全过程多维瞬态数值模拟计算的基础上,分析气门正时、活塞顶部形状、点火正时、缸外独立压缩、压缩比与膨胀比等主要参数对自由活塞发动机性能的影响,中低运转频率下,气门正时和气门升程对循环进气量影响较小,循环进气量主要随进气冲程长度线性增加;活塞顶部形状由平顶改为凸顶后,在发动机运动频率不变的情况下,增大了压缩比,提高了换气效率；自由活塞对压力非常敏感,压缩比的增大、点火时刻的提前和任何加快燃烧反应进程的因素,均会影响活塞运动；用数值模拟计算方法分析了调整电磁力对压缩比的改变,进而通过变压缩比对爆震进行有效抑制。