在能源和环境问题日臻严峻的背景下，一种被称为自由活塞机电混合动力系统(free-piston electromechanical hybrid system，简称FEHS)的能量转换装置，凭借其独特的结构和性能优势，从众多装置中脱颖而出，并备受相关领域研究者的青睐。随着研究的深入，众多研究发现维持FEHS样机的稳定运行难是阻碍该系统进一步发展的重要原因，而一些研究者将样机失稳的症结之一指向换气失稳引起的混合气制备和燃烧波动。与此同时，一些研究机构开始关注FEHS换气过程的研究工作，然而这些研究大多集中于探讨换气结构和操作参数对FEHS换气稳定性的影响，而忽视了活塞运动变动对FEHS换气稳定性的影响。须知，FEHS区别于曲轴发动机的最大特点在于其相对自由的活塞运动规律，且目前FEHS的换气结构主要为扫气口式。因此，可变活塞运动既是FEHS最为显著的特征，也是影响系统进、排气口开闭的直接原因，这势必对FEHS的换气稳定性产生重要影响。
　　在此背景下，为了探明活塞运动变动对FEHS换气性能的影响，并为基于活塞运动控制以期实现FEHS换气稳定控制提供理论依据，本文结合FHES的活塞运动特征提出了可变活塞运动对FEHS换气稳定性的影响研究。本课题利用MATLAB/Simulink与AVL_FIRE软件平台开展了联合仿真，搭建了FEHS整机模型，以获得活塞运动规律；建立了FEHS的三维计算流体力学模型，以准确模拟FEHS的喷雾、燃烧和换气过程；验证了整机模型的准确性和扫气结构的气体流通性；探究了可变活塞运动，包括可变活塞行程、可变活塞轨迹对FEHS换气稳定性的影响；分析了换气参数关于活塞运动变动的响应灵敏度。
　　获得的结论如下：（1）增加活塞行程不利于改善FEHS的燃烧性能，致使活塞运动速度的降低，却为FEHS提供了充足的换气持续时间，促进了残余的废气扫除和缸内新鲜充足的增加，提高了扫气效率，但也降低了捕获效率。其中，行程为82mm时，扫气效率为92.9%，捕获效率达56.0%。当行程增加到92mm时，扫气效率达98.1%，捕获效率降为30.6%。（2）增加活塞轨迹形状参数Ω增长了活塞在TDC和BDC附近的停留时间，促进了等容燃烧，提高了燃烧压力和温度。但更高的温度和压力也导致了更高的散热及做功，这同样导致了排气初始压力、温度的降低。活塞在BDC附近更长的滞留时间提高了换气持续期，有利于新鲜充量进入气缸和扫除残余废气，但导致了捕获效率的降低。参数Ω为0.4时，捕获效率达55.75%，而当参数Ω增为1.6时，捕获效率降为27.60%。（3）灵敏度分析表明，峰值压力、峰值温度、燃烧效率、排气压力、排气温度的灵敏度系数随活塞行程的增加而增加，但随形状参数Ω的增加而减小。捕获效率、残余废气对可活塞运动的变动响应灵敏，但扫气效率、捕获效率、新鲜充量随活塞行程和形状参数Ω的增加，其灵敏度系数逐渐减小。