点燃式发动机具有燃烧相位直接可控,燃烧过程无碳烟排放,有害排放物后处理方便,震动噪声小的优点。但是受爆震现象的限制,发动机的圧缩比和适用缸径都难以提高,SI发动机的热效率问题,一直是内燃机领域的难题。本文利用三维仿真软件对火花点燃式液压自由活塞发动机中的燃烧过程和爆震现象进行了研究,以探索提升SI燃烧过程压缩比,提高热功转化效率的新途径。建立了适用于点燃式自由活塞发动机燃烧与爆震过程仿真的三维仿真模型,研究了不同活塞运动规律对发动机的燃烧与爆震过程的影响,结果表明:当压缩比过高时,在靠近缸壁的末端混合气区发生自燃现象,引起发动机爆震。采用快速活塞运动规律,可以减小点燃式液压自由活塞发动机的爆震倾向和爆震强度,但是会降低发动机的最高指示热效率。仿真研究了多火花塞点火对发动机燃烧过程的影响,结果表明:多火花塞点火可以加快燃料的放热速度,提升燃烧等容度,减小发动机的散热损失,提高发动机的指示热效率。受爆震限制,多火花塞点火会使发动机可用点火提前相位减小,但是当以CA50的爆震极限点火相位来衡量爆震倾向时,单火花塞点火与多点火花塞火效果相同。研究了不同燃烧室结构对发动机燃烧过程的影响,结果表明:随着火焰首次触壁时间的增大,放热率峰值增大;采用大口径球形燃烧室,可以获得较小的面容比,避免高温区过早接触活塞壁面,有利于减小燃烧过程中的散热损失。最终优化后的半球形燃烧室提升了发动机的指示热效率。综合本文的研究结果,得出了提高SI自由活塞发动机热功转化效率的新途径:采用了快速活塞运动规律提高极限压缩比,采用多火花塞点火提高放热速率,采用半球形燃烧室进一步缩短燃烧持续期并减少散热损失。