液压自由活塞式发动机(Hydraulic Free Piston Engine,简称HFPE)是一种新型活塞式直线内燃机。HFPE以其高效、结构简单等优势,成为发动机领域的研究热点。“自由”状态的活塞在给发动机带来潜在优势的同时,也带来了循环变动大、运行稳定性差等挑战,解决HFPE的循环-循环稳定性问题是实现其工程应用的重要前提,而如何让其稳定运行是当前的一个国际性研究难点和热点。本文用试验和仿真模拟相结合的手段,开展液压自由活塞发动机工作过程研究。通过对影响HFPE燃烧放热率的参数进行敏感性分析,探求循环变动的过程;通过参数预测的方式获取循环放热率的特征参数。并利用KBM方法求解出HFPE非线性振动模型的解,最终根据活塞振动的定常振幅及偏心距得出稳定判据并作出相应的负载控制策略,本文的研究内容主要如下:1、通过对HFPE活塞组件所受力的分析,探究了影响其做功的主要因素。利用试验及建立的三维仿真模型探究了影响HFPE做功的主要参数,如喷油参数、扫气参数分别对喷油特性及扫气效率的影响规律。2、根据原有HFPE的液压系统工作原理,对其液压系统进行了改进。根据能量法对改进液压系统的耦合参数之间的相互关系进行了探讨,在此基础之上利用建立的一维仿真模型对改进后的液压系统进行了有效性验证。3、探究了冷起动过程、喷油器喷射参数、进气压力、运行频率、气门开闭时刻及液压负载对HFPE燃烧放热率的影响规律。并对这些参数的波动情况进行了敏感性分析。4、对HFPE的燃烧放热规律进行了单韦伯及双韦伯函数的拟合。根据拟合规律分析了HFPE不同循环的燃烧放热率差异。从而确立了双韦伯函数更适合HFPE燃烧放热率的拟合。5、利用支持向量机适用于小样本数据训练及预测的特点,对HFPE在压缩行程特定位移的缸压、扫气时间等参数映射的燃烧放热率的特征参数进行训练和预测。获取了HFPE基于缸压检测的燃烧放热率预测方法。6、对HFPE的活塞组件的受力进行了简化,建立起活塞组件非线性振动模型。根据该模型求解出活塞振动的定常振幅及偏心距的表达式。利用HFPE的失稳条件,构建出决定输入能量的外部输入参数与HFPE稳定性之间的关系,确立了各参数的稳定范围。7、通过支持向量机得出基于缸压检测的指示功的映射图谱,根据该图谱判断出HFPE是否在下一循环失稳,进而对膨胀行程的液压负载进行调控,建立了相应的控制策略,并利用仿真模型对该控制策略进行了有效性验证。本文深入探究了HFPE工作过程中的各参数变动情况及对HFPE性能的影响规律,在HFPE工作过程的研究及稳定性判据方法方面提供了一些依据,为优化HFPE的性能提供了方向,对改善HFPE稳定性提供了新思路。