近年来,微型动力装置具有体积小、输出能量密度大等优点,其利用碳氢燃料燃烧做功的方式引起了广大学者的关注。本课题组前期探讨了火焰淬熄问题、HCCI着火控制问题和如何实现低温燃烧等问题。基于此开展了相应的数值模拟与试验研究,如燃料掺混H2/CO2以降低装置内温度;采用催化压燃方式,分析未催化与催化的燃烧特性;搭建可视化试验台架,开展进气预热和催化燃烧试验。然而,在装置运行过程中由于换气不充分容易造成燃料利用率低、运行工况不平稳等问题。针对这些挑战,本文主要研究微型自由活塞动力装置换气与起动过程,设计了两种新的装置结构,旨在提高微型动力装置的换气效率和起动性能。基于GAMBIT建立单缸单次压燃换气过程的网格模型,利用FLUENT开展数值模拟研究。影响因素主要包括进、排气道间距L、进、排气道倾角α、β及孔径Din、Dout。计算结果表明当进、排气道间距增大,换气效率先升高后降低,在L为2 mm时,扫气比最小值为58.47%,此时气缸内换气品质最佳。当进气道与轴线形成一定夹角时,微燃烧室内产生涡流,燃烧反应更加充分。在α为30°时,换气效果最佳。当β为60°时,扫气比为36.98%,较进、排气道倾角为90°时的扫气效率提高了约50%。当进气道与排气道的相对孔径值减小时,也有利于提高动力装置的换气效率。在微燃烧室直径为3 mm、行程20 mm,初始进气压力0.1 MPa,初始温度300K,活塞速度22.8 m/s,有效压缩距离10mm的条件下,间距L为2 mm、倾角α为30°、β为60°、孔径Din为0.5 mm、Dout为0.6 mm时,换气效果最好。其次建立了双气缸微型自由活塞动力装置起动过程的物理模型,通过数值计算分析恒力对微动力装置起动性能的影响。结果表明当F小于0.03 N时,过小的混合气压力和惯性力使活塞无法持续往复运行。当F为0.03 N时,微型自由活塞动力装置的起动过程更加平稳,此时该恒力为临界起推力。针对双气缸起动及换气过程开展数值模拟研究,结果表明间距L为2 mm、倾角α为30°、β为60°、孔径Din为0.5mm、Dout为0.6 mm时,恒定起推力大于0.12 N时,微型动力装置可实现多次循环运行。与双气缸纯压缩起动工况相比,进排气装置的起动需要更大的恒力。本论文大量的数值模拟计算丰富了微型自由活塞动力装置换气与起动过程的研究理论,对于其它类型微动力系统往复运动的研究具有一定的参考价值,对微动力装置的样机设计提供了丰富的理论基础。