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。