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自由活塞机电混合动力系统(FreePistonElectromechanicalHybridSystem，简称FPHS)是一种由自由活塞发动机和线性电机直接耦合而成的新型混合动力装置。相比于常规活塞式发动机系统，FPHS消除了活塞运动过程的约束机构(曲柄连杆机构)，具有运行灵活、传动自由、可变压缩比运行等特点，不仅可以作为混合动力汽车或电动汽车的驱动系统，还可作为便捷式发电机出现在人们日常生活中。然而，正是由于摒除了曲柄连杆机构，它不受约束的活塞运动和难以规避的燃烧循环波动极易引发换气失稳问题，严重影响其应用化发展。
本文以解决FPHS燃烧波动引发的换气失稳问题为目标。首先，通过分析燃烧波动、运动过程、换气性能之间的作用关系，建立考虑燃烧放热作用和活塞运动变化的FPHS气体交换模型，利用MATLAB平台编译动力学程序调用GT-power换气子模型进行联合仿真，模拟特殊自由活塞运动作用下的FPHS换气性能，并对比相同结构参数的传统发动机，研究活塞运动差异对换气过程废气清扫、新鲜充量捕捉、气体流动的影响特征。随后，以FPHS燃烧循环变动(能量输入、点火时刻、燃烧持续时间)作为换气失稳的干扰因素，以稳定缸内新鲜充量为控制目标，设计通过调控扫气口流通面积实现系统换气新鲜充量稳定的控制策略，建立换气失稳控制系统仿真模型，模拟研究燃烧循环波动下调控扫气口流通面积对克服FPHS换气失稳的作用效果与特征。
结果发现，相对于传统发动机，FPHS在换气过程中具有更快的活塞运动，且在止点停留时间更短，导致扫排气口开启持续时间相对较短，进而影响换气过程废气清扫的效率，且中低转速和较大的边界进气压力能实现FPHS更优的换气性能。另外，循环燃料量变化、燃烧持续期变动及燃烧始点迁移都会改变活塞运动过程，导致换气出现波动。在控制策略效果方面，研究发现控制系统使能后，系统换气过程经短暂失稳后逐渐回归平稳，调控幅度和响应时间随燃料量波动程度呈现正相关规律。燃烧持续期越短，调控量和响应时间越少，缩短燃烧持续期有利于增强系统运行稳定性。燃烧始点越靠近上止点，调控量和响应时间越少。
本文以解决FPHS燃烧波动引发的换气失稳问题为目标。首先，通过分析燃烧波动、运动过程、换气性能之间的作用关系，建立考虑燃烧放热作用和活塞运动变化的FPHS气体交换模型，利用MATLAB平台编译动力学程序调用GT-power换气子模型进行联合仿真，模拟特殊自由活塞运动作用下的FPHS换气性能，并对比相同结构参数的传统发动机，研究活塞运动差异对换气过程废气清扫、新鲜充量捕捉、气体流动的影响特征。随后，以FPHS燃烧循环变动(能量输入、点火时刻、燃烧持续时间)作为换气失稳的干扰因素，以稳定缸内新鲜充量为控制目标，设计通过调控扫气口流通面积实现系统换气新鲜充量稳定的控制策略，建立换气失稳控制系统仿真模型，模拟研究燃烧循环波动下调控扫气口流通面积对克服FPHS换气失稳的作用效果与特征。
结果发现，相对于传统发动机，FPHS在换气过程中具有更快的活塞运动，且在止点停留时间更短，导致扫排气口开启持续时间相对较短，进而影响换气过程废气清扫的效率，且中低转速和较大的边界进气压力能实现FPHS更优的换气性能。另外，循环燃料量变化、燃烧持续期变动及燃烧始点迁移都会改变活塞运动过程，导致换气出现波动。在控制策略效果方面，研究发现控制系统使能后，系统换气过程经短暂失稳后逐渐回归平稳，调控幅度和响应时间随燃料量波动程度呈现正相关规律。燃烧持续期越短，调控量和响应时间越少，缩短燃烧持续期有利于增强系统运行稳定性。燃烧始点越靠近上止点，调控量和响应时间越少。