近些年来随着科技的快速发展,各种微电子机械系统(Micro Electro-Mechanical Systems,MEMS)装置不断涌现,这些产品的能源供给方式主要来源于自身携带的可充电电池或一次性电池。而传统电池存在功率密度低、续航时间短、存在有毒物质等缺点,这严重影响了用户的日常体验,也成为限制MEMS发展的主要障碍之一。因而迫切需要研发高能量密度、高功率重量比、长续航的微型能源动力系统。碳氢燃料的能量密度普遍可达50MJ/kg,而且燃料补充迅速,因此基于碳氢燃料燃烧的微型能源动力系统是破解目前锂电池难题最具潜力的替代方案。本文采用基于气态碳氢燃料的微小型热机方案,对此进行了探究。选取双活塞式自由活塞发动机方案,该方案具有结构简单、运行频率适中等优点,可与直线发电机直接耦合,能有效提高发动机空间利用率,省去了中间传动装置,功-电转化效率高,活塞与气缸间摩损小,泄漏易于控制。采用双活塞式布局,使得发动机在单个运行周期内完成两次做功冲程,故系统功率密度较高。本文展开了基于微小型双活塞式自由活塞发动机的设计理论、样机研制和参数性能研究,论文包括的主要内容和取得的主要成果总结如下。论文第二章根据自由活塞发动机工作特点对其进行了动力学和热力学分析,分别分析了泄漏、散热、电磁、燃烧等模型。建立了自由活塞发动机控制体,对其进行了热力学第一定律的分析,并对气缸扫气模型进行了实验验证。对发动机支架系统进行了受力形变及振动分析,得出了最大形变量与支架尺寸的关系。论文第三章建立了自由活塞发动机零维设计仿真模型,该模型包括热力学和动力学模块,并考虑了传热、摩擦、电磁等对发动机运行特性的影响,在此基础上,研究了变参数下发动机的运行规律。分析了发动机支架受力形变情况,基于静力学和振动理论,采用有限元方法对支架系统进行了应力与模态分析,完成了支架的优化设计与加工。根据直线电机设计理论,分析确定了直线电机基本参数,完成了直线电机的加工并对该样机进行了倒拖实验,实验结果表明直线电机能够满足设计要求。根据微小型自由活塞发动机特点,提出了针对微小尺度自由活塞发动机的飞溅润滑策略,并通过实验验证了该润滑方法的可行性。完成了发动机其他主要零部件的设计研制,如气缸套筒、点火控制系统、连杆及其防自传装置。第四章建立了自由活塞发动机实验系统,开展了系统全面的实验研究。首先建立了第一代原理样机实验系统,该样机采用火花塞点火,工作方式为两冲程。对该样机进行实验探究发现,该发动机可以通过手动启动的方式进行启动并实现连续运行,然而由于点火系统以及进气阀控系统存在信号延迟,导致发动机运行性能较差。针对样机测试中暴露出的问题,对第一代样机进行了改进以及相关结构的优化。优化后的样机采用辉光塞点火,并耦合了设计的直线电机,整个自由活塞发动机系统功能更加完善。与改进前的样机相比,改进后的样机各方面性能得到了显著的提升。以改进后的样机为研究对象,探究了变参数下发动机基本运行特性,完成了发动机指示功率和指示热效率对外部参数变化的敏感性分析。探究了外部扰动(负载、气体流量)对发动机运行稳定性的影响,以及发动机压缩空气储能特性。在此基础上,为进一步减小样机尺寸,减轻重量,基于等比例缩放原则,对第一代样机进行了微型化设计,完成了第二代原理样机的研制,该样机单侧气缸排量为1.6cm~3,采用辉光塞点火,工作介质为丁烷,是目前国际上已知的同类机型中尺寸最小的一款样机。首先对第二代样机基本运行特征进行了探究,在此基础上对第二代样机进行了热力学第一定律分析,定量得出了该样机各项损失占比,为后期样机的改进和性能提升指明了方向。最后基于获得的两代原理样机实验结果,完成了自由活塞发动机主要性能参数随尺度变化的敏感性分析。论文第五章在改进后的第一代原理样机台架上开展了燃料掺氢的实验研究,并进行了三维数值仿真。通过在主燃料中掺加一定体积分数的氢气(1%-5%),旨在促进燃料在气缸内的充分燃烧,进而提高发动机性能和改善排放。实验中通过改变掺氢比例,获得了发动机的工作性能特征和缸内燃烧过程。实验结果表明,掺氢能够显著提高发动机行性能和改善排放。在此基础上开展了三维数值仿真,建立了自由活塞发动机气缸模型,研究了不同掺氢比对发动机缸内燃烧动力学特性的影响。通过数值分析结果与实验结果的对比,验证了实验中结论,揭示了发动机性能提高和排放改善的内在机理。