对外不直接输出机械功，仅提供压缩空气或一定压力、温度的工作气体的内燃机。它的工作循环与对置活塞二冲程柴油机相似。这种发动机除有动力气缸外还带有空气压缩机和气垫缸。动力活塞与压缩机活塞做成一体，构成活塞组。动力气缸与压缩机之间动力的传递靠活塞组完成。所谓“自由活塞”是指发动机没有通常内燃机的曲柄连杆机构（见曲柄滑块机构），活塞组运动规律由作用在它上面的气体压力决定，并随发动机工况变化。活塞组运动的特点是内、外止点位置都可以改变，由同步机构保持左、右活塞组对称运动。动力气缸膨胀行程时，气垫缸内空气被压缩，暂时贮存动力气缸向外所作的全部功。在随后的回复行程中，气垫缸内的气体膨胀，将贮存的功全部转移给空气压缩机。当无气垫缸时，则压缩机气缸余隙容积中贮存的能量能起同样的作用。
自由活塞发动机的研究始于1920年左右。30年代开始出现不同类型的试验机型，至50年代才有正式工业产品。它按用途可分为自由活塞发气机和自由活塞压缩机两类；按结构特点又可分为对称式和非对称式，以及有气垫缸的和无气垫缸的。这种发动机除燃用柴油外，也可燃用重油、原油和天然气等燃料。
