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。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。
自由活塞发气机 (free-piston gas generator)常与
燃气轮机共同组成自由活塞-燃气轮机组(见图)。在机组中，发气机只起工作气体发生器的作用。在动力气缸中对置装着两个动力活塞，分别与相应压缩机活塞相连接。起动时，假定动力活塞迅速从外止点向内运动，压缩机气缸内的空气即被压缩，并通过输气阀压入储气箱，供动力气缸扫气之用；同时动力气缸内的空气也被压缩，空气压力和温度均增高。当相对的两个活塞接近内止点时，经
喷油器将燃料喷入燃烧室而燃烧。高温高压燃气向外推动动力活塞，即膨胀过程。活塞向外运动时使压缩机气缸内产生真空而从大气吸入新鲜空气,同时气垫缸内的空气被压缩,储存的能量用以推动活塞向内运动。在膨胀行程终了时，右活塞首先开启排气孔，随后左活塞又打开进气孔。燃气经排气孔排入储气罐，而新鲜空气则从扫气储气箱经进气孔送入动力气缸，并清扫残留的废气。燃气由储气罐供入燃气轮机内膨胀作功，由涡轮轴输出功率。
自由活塞－燃气轮机组热力循环的高温高压阶段在间歇工作的动力气缸内完成，低温低压膨胀阶段在燃气轮机中完成。它比单独的柴油机或燃气轮机热力循环有更高的总压缩比和总膨胀比，因此理论热效率较高。
采用自由活塞发气机时，机组布置和功率选择有较大的灵活性，可用一台或多台发气机与一台燃气轮机配套。同时，机组连续运行的可靠性也增高。在多台发气机中，若某一台发生故障，不会造成整个机组停止运行。但机组直接膨胀作功的工作气体的压力和温度相应变低，致使单位功率的气体流量大，因而增加了流动损失和传热损失。此外，它由于布置分散、附属设备多，应用范围受到限制，主要用作船舶动力或电站、动力站等固定作业。
自由活塞压缩机是将发动机与压缩机连结成一体的自身驱动的一种空气压缩机。