液压自由活塞发动机具有可变压缩比、摩擦损失小、散热损失小的优势，但是，其运行过程中活塞上止点和下止点位置存在波动性，且内燃机活塞在上止点附近停留时间短，燃烧等容度相对较低。本课题通过实验和仿真的方法，对液压自由活塞发动机的运行机理进行了探索，并根据其特点提出了改进其运行过程稳定性的策略；研究了液压自由活塞发动机活塞运动规律，分析了其对燃烧过程及发动机运行稳定性的影响；根据液压自由活塞发动机的运行特征，提出了适应于自由活塞发动机的燃烧模式，并通过仿真和实验对所提出的燃烧模式进行研究。
　　搭建了液压自由活塞发动机样机，并成功实现点火和连续运行，在此基础上建立了液压自由活塞发动机的一维和三维仿真模型，将仿真方法与实验方法相结合，用于探索自由活塞发动机的运行机理和燃烧特征。
　　提出了一种对置式液压自由活塞发动机两侧活塞运动的液压同步控制机构，通过仿真的方法分析了同步机理，验证了同步效果。结果表明，同步机构能够修正对置式液压自由活塞发动机运行过程中，两侧活塞的位移偏差。当两侧活塞组所受摩擦力分别相差为1倍、2倍和3倍时，同步机构能将下止点位移差分别减小93.15%、87.69%和74.32%。通过该装置能大幅度提高发动机两侧活塞运动的同步性，保证发动机稳定连续运行。
　　根据液压自由活塞发动机运行机理提出了定容活塞机构，通过控制压缩冲程中提供给活塞组能量的方法来满足发动机运行中上止点一致性的要求。仿真结果表明，改进后的液压压缩系统中引入定容活塞后，能有效减小不同下止点位置引起压缩冲程中高压液压油推动柱塞做功量的变化，进而保证上止点的稳定性。与不使用定容活塞相比，当定容活塞的推动行程为90%时，能将压缩比的变动从27.78%降低到2.17%。根据自由活塞发动机做功原理，提出了一种适用于自由活塞发动机的能量回收系统。该系统的应用能有效减少因为燃烧状况的波动造成的下止点位置波动。在使用定容活塞机构和能量回收系统之后，能明显促进自由活塞发动机在连续运行过程中的稳定性。仿真结果表明，与不使用能量回收活塞相比，当能量回收活塞面积为柱塞截面积3倍时，当量比从0.3增加到1的过程中，下止点位置波动降低了80.11%。
　　研究了自由活塞发动机工作过程中活塞运动的自适应特征，即活塞运动与缸内燃烧相互耦合作用的机理，通过理论分析和实验相结合的方法探索了该机理对发动机运行稳定性，以及燃烧、爆震、能量转化效率等的影响；
　　通过仿真的方法对比分析了自由活塞发动机在燃烧等容度、散热和爆震等方面的特点。对于液压自由活塞发动机，需要配合快速燃烧的燃烧模式才能更大程度地促进热效率的提高；其缸内高温工质与燃烧室壁面接触的时间较曲柄连杆发动机短，因此其散热损失较小；液压自由活塞发动机具有较好的抗爆震性能。
　　根据自由活塞发动机燃烧特点提出了一种将电热塞和火花塞组合起来的点火系统来助燃均质压燃的燃烧模式(DACI)。并通过实验的方式对该燃烧模式进行了研究。实验结果表明，适合DACI燃烧模式的压缩比范围比电热塞助燃HCCI燃烧模式更大，该燃烧模式对点火相位控制的稳定性和灵活性较电热塞助燃HCCI燃烧模式更高；在DACI燃烧模式中，电热塞温度较低时，放热过程主要由火花塞点火时刻控制；电热塞温度较高时，放热过程主要由电热塞控制；适合DACI燃烧模式的混合气浓度为当量比0.6到0.8之间，当当量比较大时，使用火花塞控制点火；当量比较小时，采用电热塞温度控制点火。
　　提出了一种多点点火的快速燃烧模式，并通过仿真对该燃烧模式进行了研究。结果表明，火花塞数目增加，放热率峰值增加，并且放热率峰值的形态也发生变化：放热率从缓慢增加变为迅速增大；相同点火时刻时，CA50随着火花塞距离的增大而逐渐提前再推迟，且4点点火，火花塞距离为RD50时，或7点点火，火花塞距离为RD70时，燃烧持续期最短；相同的CA50时，自由活塞发动机抗爆震性能在7点点火情况下最高，4点点火次之，单点点火模式下最低；多点点火模式下，自由活塞发动机的指示热效率要高于单点点火燃烧方式。且在7点点火模式下，边缘火花塞置于RD70时，能获得最高的指示热效率。
　　本课题深入探究了自由活塞发动机的运行机理和燃烧特征，在此基础上提出了优化自由活塞发动机运行稳定性的方案，并根据活塞运动轨迹特点提出了合适的燃烧策略。为提高自由活塞发动机运行稳定性提供了新思路，为改善自由活塞发动机燃烧，提高其热功转化效率提供了新方向。