自由活塞发动机具有结构紧凑、功率密度高、燃料适应性强、能量利用率高等优点,是近年来国内外学者重点研究的一种新型车辆动力装置。为了使发动机系统能够在不同工作状态下达到所需的性能,基于自由活塞发动机较大的设计和控制自由度,本文提出了一种可变冲程的自由活塞发动机系统,并在以下几个方面进行了理论研究和样机试验工作:(1)对自由活塞发动机燃烧系统进行了需求分析并提出了系统总体方案;基于电磁驱动配气机构设计了能够满足系统在四冲程和二冲程两种模式下运行并实现冲程切换的换气策略。(2)对自由活塞发动机的控制器进行需求分析并提出了点火系统、喷油系统、直线电机和配气机构的整体控制方案。完成了电子控制器的硬件电路设计、软件开发以及控制器的试制。(3)完成了原型机各子系统的设计并搭建了自由活塞发动机试验系统。对系统在四冲程运行模式下进行了运行试验,实现了系统四冲程连续稳定工作并取得了良好的发动机性能。(4)建立了自由活塞发动机AVL Boost的热力学仿真模型,并将模型的仿真结果与原型机的试验曲线进行对比分析,验证了仿真模型的准确性。(5)对自由活塞发动机系统进行了二冲程运行模式下的仿真研究,并分析了在不同喷油参数、点火参数和配气参数的影响下发动机系统的性能变化规律。搭建了基于AVL Boost和Matlab/Simulink软件的联合仿真平台,以发动机残余废气系数为优化目标,利用粒子群算法对自由活塞发动机系统在二冲程模式下的配气方案进行智能寻优,提出了系统的最佳配气方案。