在微加工技术迅速发展的时代下,电子机械产品的微型化已成为新时期的主流。基于特征长度毫米级的碳氢燃料的微机电系统即可输出1~100W范围的功率,凭借其工作时间长、较其它传统电池能量密度高、体积小、易携带、无危害等优点引领新潮流,在人们生活中已得到普遍应用,如微型飞行器、微型机器人、微型电脑、便携式电子产品等。在众多微型动力系统中,本文采用了基于HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的微型自由活塞发动机(Micro Free Piston Engine:Micro-FPE)方案,该方案使用的HCCI燃烧方式可以有效解决微机电系统核心部件——微燃烧室易发生火焰焠息的问题,而易微型化的自由活塞发动机可以克服燃烧过程难控制的问题。随着Micro-FPE的尺寸减小,实现装置正常运行所消耗的初动能也减小,因此针对HCCI燃烧的Micro-FPE可运行尺寸界限的研究对微型化机电系统的发展具有重要意义。本文通过搭建Micro-FPE的可视化试验台架,利用高速数码相机摄取微燃烧室内均质混合气(二甲醚/氧气)的燃烧过程,并借助数据处理系统分析自由活塞的运动规律,分析了不同压缩比时Micro-FPE的燃烧特性,并通过P-V图评价其做功能力,总结出4种燃烧方式和Micro-FPE可运行的最低压缩比;另外,开展了微燃烧室底部添加催化剂和预热均质混合气的试验,发现催化作用可以有效降低均质混合气的着火点,使得可压燃的临界压缩比降低,一个工作循环内实现压燃过程所需的活化能也降低;混合气初始温度的提高也使得均质混合气更易被压燃,且有效缩短了工作循环时间。通过试验得出两种措施均有利于降低Micro-FPE可压燃压缩比,拓宽其可运行尺寸界限的结论。借助试验的结论,本文建立了基于HCCI燃烧方式的考虑有泄漏间隙的Micro-FPE的数值模型,混合燃料采用热值高的甲烷和氧气。针对设计功率范围分别为1~10W、10~60W的Micro-FPE,探讨其在无催化无预热、催化作用、均质混合气预热和催化作用结合条件下的可运行尺寸界限,并借助指示功、净功率和指示热效率等指标进行做功能力评价。研究结果发现:同一作用下,随着长径比的增加,Micro-FPE的可运行尺寸界限拓宽;均质混合气完全燃烧时,随着长径比的减小,工作循环时间缩短,单位时间内所做指示功增加;而预热及催化作用以牺牲做功能力为前提,有效拓宽了Micro-FPE的可运行尺寸界限;1~10W的Micro-FPE最小运行尺寸取为:长径比为40,压缩比为38,实现压燃所需的初动能降低38%,指示功约0.023J,能量密度为271 MW/m~3;相比传统发动机,Micro-FPE的气缸工作容积利用率得到提高,能量密度明显优于其他微型动力系统。10~60W的Micro-FPE最小运行尺寸取为:长径比为16,可运行最低压缩比60,指示功0.108J,所需初动能降低18%,较1~10W的Micro-FPE做功能力提升。最后,分析泄漏间隙对Micro-FPE燃烧特性和做功能力的影响,发现适当的泄漏间隙能够使得Micro-FPE的做功能力提升,且横向间隙的增加,可压燃临界径向间隙增大,Micro-FPE的可运行尺寸界限进一步拓宽,为Micro-FPE的尺寸设计提供理论依据。