自由活塞直线发电机（FPLG）具有结构简单,机械效率高,燃料适应性好等优势,适用于作为串联式混合动力汽车的增程器。但由于没有了曲柄连杆机构的限制,导致运行稳定性较差;同时因为缺少了封闭的扫气箱,使其需要额外的扫气装置,从而难以实现工程应用。本文基于一台单活塞式FPLG样机,研究了空气弹簧对系统运动特性的影响,结果表明:增大空气弹簧的增压系数会提高发动机的峰值缸压及运行频率,从而提高了系统的输出功率。然而,空气弹簧压力过大时也会使运行频率与缸压的波动率上升。针对单活塞式FPLG结构设计了一种集成扫气方案,使其整体结构大大简化,通过实验验证了其在15.58Hz的运行频率下,扫气压力可以达到1.42bar,循环进气量为190.42m L。在Simulink中搭建了其系统一维仿真模型,根据试验数据对燃烧模块进行了标定。针对发动机功率不足的问题提出了部分行程发电的运行策略,分析了不同弹簧弹性系数与负载对系统的影响,结果表明:增大弹簧弹性系数会提高运行频率与速度,并缩短位移,从而提高功率与系统效率;负载的变化对频率影响较小,但会影响运行速度与行程及系统效率。利用Converge仿真软件搭建了动力缸模型,研究了其缸内换气过程,对比了不同运行参数对扫气质量与扫气效率的影响,并针对实际扫气效率较低的问题提出了优化解决方案。结果表明:提高扫气压力会对扫气效果有明显提升,也会增加缸内进气量,而压力过高时会导致实际扫气效率较低;频率的提升虽然会降低扫气效果,但是因为加强了缸内气体扰动使得扫气效率提高;缩短扫气下止点的行程可以在保持较好扫气效果的同时提高实际扫气效率,也可以降低FPLG的摩擦阻力损失;缩短下止点之后的进气时间不会对扫气效果有较大的影响,但是可以提高实际扫气效率。