二冲程液压自由活塞发动机的换气质量对发动机的动力性和经济性至关重要。本文在课题组自由活塞发动机样机的基础上,利用CONVERGE研究了换气系统的结构参数对换气质量的影响;并且基于样机,设计了用于自由活塞发动机的液压驱动可变气门机构,使用Simulink仿真优化了其结构参数;最后将液压气门机构和缸内直喷结合起来,进一步改善发动机的换气效果和燃油经济性。本文首先对自由活塞发动机换气过程进行三维仿真研究,结果表明:未发生废气倒流现象时,扫气效率主要受扫气比时面值的影响,随着扫气比时面值的增大而增大,捕获率主要受排气比时面值影响,随着排气比时面值的增大而减小;在发生废气倒流现象时,随着倒流强度的增大,扫气效率和捕获率均下降。增大扫气箱压缩比有利于扫气效率的提高,而捕获率逐渐减小,扫气箱压缩比从1.2增加到2.1,扫气效率提升9.8%,但扫气箱压缩比增大也会使扫气箱对活塞做的负功增多。适当增大活塞顶倾角,有利于扫气效率和捕获率的提高。减小活塞杆直径有利于扫气效率的提升,但同时会导致捕获率下降。为了实现更好的换气效果,并且实现配气定时,提出了液压驱动可变气门的方案,建立液压可变气门机构的Simulink仿真模型。研究了液压气门的结构参数对气门升程的影响,最终确定柱塞大头直径为10mm,柱塞偶件间隙为12μm,节流孔直径和缓冲距离均为1mm,此时的落座速度0.475m/s,落座时间为5.26ms。基于自由活塞发动机的结构,设计了直流扫气缸内直喷系统,通过仿真发现,直流扫气相比于横流扫气的扫气效率提高了9%以上;影响燃烧效率的主要因素是混合气的浓度分布情况,通过提前喷油时刻并利用扫气口开启时的剧烈流动使混合气混合得更均匀,喷油时刻相对于扫气口关闭时刻提前1ms时,燃烧效率为97.4%。