为了缓解愈发紧张的能源问题和环境污染问题,各国研究人员在优化传统发动机燃烧排放问题的同时,也对新的动力装置展开了研究。天然气燃烧清洁,可有效降低温室效应,且成本较低,与汽油柴油相比有着自身的独特优势。自由活塞发动机是近年提出的一种动力输出装置,由于其没有曲柄连杆机构,所以比传统发动机的摩擦损耗要少的多,但以天然气为燃料的自由活塞发动机还很少。因此本文结合天然气燃料和自由活塞发动机这一新型动力装置,运用动力学与FIRE模拟耦合迭代的方法,探究自由活塞天然气发动机的工作性能特征。本文的主要工作有:根据二冲程自由活塞发动机的运行特点,建立热力学模型和动力学模型,并运用Simulink软件建立仿真模型。在对动力学模型进行简化计算后,分析自由活塞天然气发动机的运行特性。通过动力学、热力学方程得到初始的自由活塞运动规律,建立三维仿真模型,与活塞运动规律一起用FIRE软件生成动网格模型并进行模拟仿真,经过FIRE仿真与动力学仿真的多次耦合迭代,得到比较准确的活塞运动,并基于此活塞运动对自由活塞天然气发动机的燃烧放热过程进行仿真分析。最后基于建立的模型对自由活塞天然气发动机进行变参数研究。分析结果表明:自由活塞天然气发动机系统的运动过程为单自由度变阻尼受迫振动,其活塞运动加速度约为传统天然气发动机的两倍,上止点附近的速度也高于传统天然气发动机。自由活塞天然气发动机的缸内压力、指示热效率、温度都低于传统天然气发动机;但是NO和Soot排放与传统天然气发动机相比有巨大的优势。自由活塞天然气发动机的滞燃期与传统发动机相差不大,急燃期稍短,后燃期很长,有比较严重的后燃现象。自由活塞天然气发动机的压力峰值和最大位移随活塞质量的增大而增大,速度峰值和活塞运行频率随活塞质量的增大而减小,缸内压力峰值、速度峰值、活塞最大位移以及活塞运行频率都随当量比的增大而增大,随负载的增大而减小。