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在车用内燃机余热回收领域,有机朗肯循环（ORC）系统凭借其优越的性能受到国内外学者的广泛关注。研究者针对车用内燃机ORC系统中不同类型的膨胀机开展了大量的研究工作,但迄今仍没有大规模量产或商用化的膨胀机类型可作为最佳选择。为此,本课题组探索性地开发了一台单活塞自由活塞膨胀机-直线发电机（FPE-LG）原理性样机,用于ORC系统来实现热电转换。依托搭建的单活塞FPE-LG性能测试平台,利用Lab VIEW软件开发了两套活塞运动控制程序:时间控制法和位置控制法,均实现了样机的稳定运行。采用高压空气为工质,对其进行了大量试验研究,讨论了进气压力、进气持续时间、负载电阻、膨胀持续时间和理论行程等参数对单活塞FPE-LG运行性能的影响。研究表明:在运行过程中,工作腔B内峰值压力通常高于工作腔A内峰值压力;输出功率、活塞动子组件位移和速度随时间的变化均近似为正弦曲线,活塞动子组件速度随位移变化曲线类似于一个椭圆,当活塞接近OTDC/OBDC时,活塞动子组件速度相对较大,而当活塞运动到OTDC/OBDC时,活塞动子组件的加速度最大;直线发电机的输出电压与活塞动子组件速度直接相关,两者随时间的变化趋势相似且具有较好的一致性。随着进气压力或进气持续时间的增加,活塞动子组件位移、速度、工作腔内峰值压力、峰值输出电压、电流和输出功率均呈现逐渐增大趋势;随着负载电阻的增加,活塞动子组件位移和速度、工作腔内峰值压力、峰值输出电压均呈现增大趋势,而峰值输出电流呈现减小趋势,峰值输出功率随着负载电阻的增大呈现先增大后减小的趋势;随着膨胀持续时间或理论行程的增加,活塞动子组件位移逐渐增大,而工作腔内峰值压力呈现小幅减小趋势,峰值速度和峰值输出功率仅有轻微变化。对比分析发现,采用位置控制法时,活塞动子组件运动对称特性要明显优于采用时间控制法;但当采用时间控制法时,可以通过适当增加进气持续时间t Bt或膨胀持续时间来改善活塞动子组件的运动对称特性,从而提高活塞行程利用率。单活塞FPE-LG运行在位置控制法时,活塞动子组件运行频率随着进气压力、进气持续时间和负载电阻的增加而逐渐增大,随着理论行程的减小而显著增大;当其运行在时间控制法时,活塞动子组件运行频率仅与进气和膨胀持续时间有关。基于正交试验法,采用极差分析和方差分析对单活塞FPE-LG的运行性能、参数影响度和显著性水平进行深入分析。结果表明:进气压力和进气持续时间对活塞动子组件实际行程长度、速度和输出功率的影响度最大且影响显著,其次为负载电阻,而膨胀持续时间和理论行程的影响度相近,均较小;理论行程是影响运行频率的首要因素,其次是进气压力、进气持续时间和负载电阻。结合试验不确定度分析可知,该试验的不确定度和误差均较小,可以忽略不计。基于正交试验方案的数据,对样机的能量转换效率进行分析。结果表明:单活塞FPE-LG的热-功转换效率为1.7%～5.4%,功-电转换效率为22.9%～28.8%,热-电转换效率（总效率）相对较低,最大仅为1.4%。结合试验数据,建立了单活塞FPE-LG的BP神经网络模型,讨论了传递函数、训练函数、神经网络层数、隐含层节点数以及学习速率等参数对BP神经网络模型预测精度的影响,确定了最佳模型参数。本文中构建的BP神经网络模型具有较高的预测精度,可以对单活塞FPE-LG的运行性能进行预测和优化。BP神经网络模型结合遗传算法的优化结果表明:单活塞FPE-LG运行在时间控制法时的最大输出功率可达141.69 W,运行在位置控制法时的最大输出功率可达138.03 W。