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针对车用内燃机有机朗肯循环(ORC)余热回收系统，迄今尚没有大规模量产或商业化的膨胀机可作为最佳选择。为此，本课题组探索性地研发了一台自由活塞直线发电机(FPLG)原理性样机。作为新型的“热-电”转换装置，FPLG的潜在前景已经得到了国内外研究机构的广泛重视。采用这种FPLG，有望解决ORC余热回收系统的结构紧凑性以及在车辆上的安装空间问题、ORC余热回收系统的制造成本问题等。 本文首先开展了数值模拟研究工作，利用CATIA软件构建FPLG三维建模，利用FLUNT软件构建FPLG仿真模型，基于该模型对FPLG工作过程中的三维非稳态流场特征进行了模拟，分析了缸内涡流的形成机理。研究表明，进气过程中，随着气门开度的变化，气缸内部从缸壁向气缸中心会形成复杂的大尺度涡流;排气过程中一般不会出现超音速流，缸内涡流的速度小，相对排气流速可以忽略不计;缸内气流湍动能分布不均匀，沿气缸壁湍动能较弱，而气缸中心区域湍动能则较强。 之后，以压缩空气作为驱动气源，在实现样机连续稳定运行的基础上，开展了大量不同工况下的样机实验研究，进而给出了样机在不同进气压力、不同工作频率及不同负载电阻下的实验结果，最后通过深入分析，得出了不同工况下的样机运行特性及影响整体性能的主要因素。研究表明，活塞位移随着进气压力的增加而增大，随着工作频率的增加而逐渐减小;增大进气压力有利于活塞运动对称性的改善，增大工作频率不利于活塞运动对称性的改善;自由活塞直线发电机有效效率随着进气压力的增大而增大，但当进气压力大于2.2bar时，有效效率增加趋于平缓，当负载电阻为20Ω，进气压力介于2.2bar-2.8bar之间时，自由活塞直线发电机的有效效率为最高，介于30％-40％之间;样机输出功率随着工作频率的增大而减小，高频下进气持续时间短是导致功率下降的主要原因，若想提升样机输出功率，需要进一步增大进气压力;当进气压力为2.8bar，负载电阻为20Ω时，自由活塞直线发电机有效效率介于30％-40％之间;改变负载电阻值对于有效效率的影响比较明显，当负载电阻小于20Ω时，随着负载电阻的增大，自由活塞直线发电机有效效率从8％增大到34.8％，而当负载电阻介于20Ω-40Ω之间时，自由活塞直线发电机有效效率介于30％-35％之间，变化不大。