微型自由活塞动力装置具有结构简单、能量转化率高以及输出功率大的优点,因此在众多微型动力装置中脱颖而出。针对微尺度压燃的特点,采用微尺度HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)的燃烧方式能够在一定程度上缓解微尺度下燃料燃烧不充分且容易发生失火与淬熄等问题。但即便如此,对微型自由活塞动力装置的研究与开发仍然面临着种种挑战,例如:高运行频率下微自由活塞动力装置换气时间短,进排气难以充分,进而带来燃烧效率低下、运行不平稳问题;其次,微燃烧室大的面容比使得壁面散热损失严重,高的热损会降低燃烧室内的反应温度,从而会降低着火性能,导致其具有着高的着火压缩比和稀燃极限。然而,高的压缩比和稀燃极限下的高温燃烧必然会对微燃烧室壁面材料的强度性能和热应力提出更加苛刻的要求,同时也对装置的平稳运行提出挑战。因此,本文从拓展微型自由活塞动力装置的运行范围角度出发,通过数值模拟的手段研究了各参数对其着火界限和稀燃极限的拓展作用。为了解决高频率运行下微型自由活塞动力装置换气效率低下的问题,本文针对性地设计了两种微型自由活塞发动机的换气结构与方法,设计中将自由活塞的运动与微发动机的换气过程进行耦合,活塞在运动过程中直接驱动进排气过程的进行。该设计结构简单,可行性高,且能够保证进气的充盈性和排气的充分性。根据微型自由活塞动力装置的单次压缩燃烧过程特点,且充分考虑了混合气泄漏和壁面传热因素的影响,本文建立了三维微型HCCI自由活塞动力装置数值计算模型。基于该模型首先模拟研究了甲烷和二甲醚两种燃料在微型自由动力装置上的燃烧过程,结果表明二甲醚的着火性能优于甲烷。随后本文基于二甲醚燃料探究了混合气当量比和进气初温对微型HCCI自由活塞动力装置的燃烧性能和着火界限的影响,研究结果表明,在一定范围内降低混合气当量比能够起到很好的低温燃烧效果,且有助于提高燃烧效率,此外,一定范围内降低当量比其还能提高装置的着火性能,从而能够拓宽微型自由活塞动力装置的着火界限。提高混合气初始温度能够提前微型自由活塞动力装置的着火时刻,降低临界着火压缩比,从而能够拓宽装置的着火界限。此外,本文还研究了甲烷掺氢和进气预热两种方式对装置内的可燃极限当量比的拓展作用。微型自由活塞动力装置在采用甲烷掺氢方式后,燃料混合气着火延迟期缩短,着火时刻提前,使得装置在低当量比下的着火性能得以提升,因此稀燃极限也得以拓展。对微自由活塞动力装置的进气进行预热能够拓宽其可燃极限当量比,并随着预热温度的升高,微自由活塞动力装置的稀燃当量比下限随之降低。本文的研究工作旨在拓展微型自由活塞动力装置着火界限和稀燃极限,为解决微型自由活塞动力装置运行范围狭窄的问题提供理论指导作用。