从能量平衡的角度来看,车用内燃机热效率较低（20%-45%）,剩余大部分热量以排气等形式排放到环境当中。因此,对于车用内燃机排气余热进行余热回收具有十分重要的意义。对于目前的车用ORC余热回收系统,迄今尚没有合适的膨胀机可作为最佳选择。本文提出了一种新型自由活塞直线发电机（FPLG）,从试验研究、理论分析和仿真研究等角度对其性能进行了研究和探索。基于搭建的凸轮配气机构和电磁阀配气机构的FPLG试验系统,研究了不同影响因素对其性能的影响规律;构建了FPLG性能预测及优化模型,并采用正交试验法对影响因素的敏感度进行了研究。建立了FPLG仿真模型,从运行参数、模型参数以及直线发电机匹配方面对FPLG性能进行了分析。搭建了ORC-FPLG仿真模型,实现了与整车模型、车用发动机和ORC余热回收系统的耦合,进而提出了基于FPLG的模块化组合方案。基于凸轮配气机构的FPLG试验平台,探索了影响FPLG性能的关键因素,并研究了各个因素对FPLG性能的影响规律。研究结果表明,随着运行频率的增大,活塞组件位移和速度均呈现逐渐减小,而随着进气压力的增加却逐渐增大。随着外接负载的增加,FPLG活塞组件位移、速度以及实际行程均呈现逐渐增大的变化趋势。存在最优的外接负载使得峰值输出功率达到最大。随着进气压力和外接负载的增大,能量转换效率均呈现先增大后减小的趋势。运行频率为1.5 Hz,进气压力为0.26 MPa,外接负载为40Ω时,最大转换效率为73.33%。配气机构合理设计和匹配以及较高的进气压力有利于改善FPLG运动的循环变动特性以及FPLG运动的稳定性。搭建了电磁阀配气机构的FPLG试验平台,提出了基于位移和时间的控制策略。在保证FPLG连续稳定运行的基础上,研究了不同控制策略下FPLG的运行特性和输出特性。位移控制策略下,实际行程随着理论行程、外接负载和排气阀提前开启时间的增大而逐渐增大。运行频率随进气压力和外接负载均呈现逐渐增大的趋势,随理论行程和排气阀提前开启时间逐渐减小。时间控制策略下的运行频率仅与进排气时间和排气阀提前开启时间有关。平衡震荡系数随着排气阀提前开启时间和外接负载的增大逐渐增大;随着平衡震荡系数的增大,平均输出功率呈现下降的趋势。平衡震荡系数越小,平均输出功率越大。构建了基于机器学习的FPLG预测与优化模型,并联合ANN模型和遗传算法,对FPLG的关键运行参数进行了优化,并采用正交试验法对FPLG试验条件进行了优化。研究表明,PSO优化后的模型具有更小的误差和更高的预测精度。正交试验优化结果与采用机器学习优化几乎完全一致,从而验证了机器学习预测与优化模型的准确性。FPLG的最大峰值输出电压、平均输出功率、运行频率和能量转换效率分别为51.2 V、27.57 W、4.51 Hz和21%,对应的的优方案分别为A₅B₅C₄D₄、A₅C₁B₄D₂、A₅C₁B₅D₂和A₅D₁B₁C₁。同时,进气压力对于各个指标均起着至关重要的作用。采用GT-Suite和MATLAB/Simulink软件搭建了FPLG仿真模型。基于仿真模型,从FPLG运行参数、模型参数方面研究了FPLG的性能影响。研究结果表明,相对误差均在±10%以内,FPLG仿真模型具有较高的可信度。位移、速度、输出电压和功率随进气压力和进气温度均呈现逐渐增大的变化趋势。位移、速度、工质质量流量、进出口压差以及输出功率均随运行频率增大而逐渐减小。同时,存在最优的摩擦系数使得位移、速度、工质质量流量、输出功率达到最大。活塞组件速度随直线发电机磁链的增大逐渐减小,而电磁力和输出功率呈现逐渐增大的变化趋势。基于FPLG仿真模型,搭建了ORC-FPLG联合系统仿真模型,研究了运行参数对ORC-FPLG联合系统性能的影响,并从多模块组合的角度,分析了ORC-FPLG联合系统在串联工作模式和串联模式下的工作特性。研究结果表明,随着运行频率、排气温度、排气流量以及冷却水流量等运行参数的增大,ORC-FPLG联合系统净输出功率逐渐增大,而随着内外阻值和冷凝温度的增加逐渐减小。热效率和余热回收效率随运行频率和冷却水流量的增加而逐渐增加,存在最优的管道直径使得热效率和余热回收效率达到最大。当运行频率为18 Hz时,联合系统最大净输出功率和余热回收效率分别为2.51 k W和1.36%。加入ORC-FPLG系统后,发动机-ORC-FPLG联合系统的输出功率和热效率均有较大程度的改善。在并联工作模式中,随着模块数的增加,联合系统净输出功率和热效率均呈现先增大后减小的变化趋势,存在最优的模块数使得净输出功率和热效率达到最大。在串联工作模式中,联合系统净输出功率和热效率均随着模块数的增加逐渐增大。串联模式中并联模块数越多,净输出功率和热效率越高,越有利于提高联合系统的输出性能。当采取并联模式,运行频率为16 Hz,模块数为4时,联合系统最大净输出功率和余热回收效率分别可达11.92 k W和7.73%。