随着微纳米技术研究的不断进步,微动力机电系统(Power MEMS)应运而生。它具有相对微小的体积,较高的能流密度,在当今的工业生产中具有极为广阔的应用前景,是极具军用和民用价值的新技术。微尺度燃烧是随着微机电系统(MEMS)技术的发展,为了满足可携带电子设备的长时间供电和国防上微小型高性能动力源和电源的需求而开展研究的。本文在分析国内外微型发动机的基础上,对微型HCCI自由活塞发动机进行了基础性的研究。自由活塞发动机结构简单,更适合向微型化发展,将均质充量压燃(HCCI)这种新型燃烧方式与微型自由活塞式发动机相结合,不仅可以解决微燃烧室壁面的火焰淬熄问题,同时可以解决HCCI所面临的着火控制难的问题,另外,微型自由活塞发动机的能量转化为电能的效率高。因此,开展基于HCCI燃烧方式的微型自由活塞式发动机的研究,有望突破目前燃烧室尺寸微小化带来的燃烧限制瓶颈,对开发微动力机电装置具有重要意义。(1)建立了理想状态下微型HCCI自由活塞发动机工作过程的单区模型,包括压缩着火模型、定容燃烧化学动力学模型以及膨胀做功模型。运用建立的微型HCCI自由活塞发动机工作过程模型,耦合丙烷详细化学动力学反应机理,对压缩着火燃烧过程进行模拟,获得了微型HCCI自由活塞发动机的着火、燃烧特性,主要包括着火时刻的确定,燃烧压力、温度的变化,自由活塞的运动特性,以及燃烧过程中中间基和燃烧产物的浓度变化规律。(2)针对微型HCCI自由活塞发动机的工作特点,分别建立了完全理想条件下(即绝热、无漏气)微型HCCI自由活塞发动机燃烧过程的二维模型,以及考虑传热和漏气影响的二维模型。依据活塞运动速度与其所受压力的相互关系,应用STAR-CD中的多个子程序实现了活塞运动过程与缸内气体化学动力学的耦合,建立了模拟活塞工作过程的动网格程序。使用STAR/KINetics软件,即CFD软件STAR—CD与详细化学动力计算软件包CHEMKIN结合,实现了化学反应与流动的耦合计算,对微型HCCI自由活塞发动机单次冲击的整个工作过程进行了数值模拟。(3)通过完全理想条件下的工作过程模型进行了变参数研究,获得了不同的发动机尺度、初始温度、初始压力、燃料当量比、活塞初始速度(即压缩比)及冲程(即工作管长)情况下,着火时刻特性以及燃烧特性变化规律,计算结果为获得燃烧过程的控制因素提供了理论依据。通过加入传热模型和漏气模型分别研究了传热和漏气对微型HCCI自由活塞发动机整个单次冲击工作过程的影响,得出了传热对微型HCCI自由活塞发动机整个工作过程影响相对较小,而漏气对整个工作过程具有较大影响的结论。(4)详细讨论了微型HCCI自由活塞发动机的工作过程中燃烧规律以及动力性能,计算结果为开发该微型动力装置提供了理论依据。(5)通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及预混合气体入口速度、当量比Φ、管径、导热壁和管壁材料对催化燃烧反应的影响。计算结果表明:表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;入口速度、当量比Φ和管径对氢气的催化燃烧过程有重要的影响,在入口速度较小下的燃烧主要是空间气相化学反应,随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在着表面催化反应和空间气相反应两种控制因素,在入口速度较大下的燃烧主要是表面催化燃烧过程;当量比Φ是影响氢气转化率的重要因素;随着管径的减小,微型管道内反应的最高温度将降低,高OH浓度区域逐渐向管道前端移动,并且OH浓度最大值逐渐降低;通过导热壁轴向间的传热,预热入口混合气体,使氢气燃烧地更加充分;当管壁材料的导热系数较小时,管壁存在着较高的温度梯度,空间气相燃烧区域逐渐向管道前端移动,管道系统内存在着较高的温度峰值。对微型管道处于低入口压力的情况下甲烷在催化剂铂、铑表面的催化燃烧过程进行了分析,讨论了催化剂种类对催化燃烧过程的影响。(6)详细分析了催化燃烧对微型HCCI自由活塞发动机着火时刻的影响,同时对比分析了有、无催化燃烧时进气温度、压缩比及过量空气系数等参数变化对微型HCCI自由活塞发动机燃烧过程的影响。