微动力能源系统(Power MEMS)通过利用碳氢燃料燃烧化学反应能量来实现超高能量密度，其能量密度比电池高一到两个数量级，能对微机电系统实现持续供能。相比其它微动力能源系统，采用液态烃类燃料的微型活塞式内燃机热功转换原理成熟，输出功率可达十几瓦，具备超高能量密度的动力性能，且结构相对简单、燃料补充方便，具有更为重要的研究价值。微燃烧驻留时间短，面容比大，相对热损大，容易导致不完全燃烧，燃烧效率下降，这影响了微型活塞式内燃机的微型化，也影响了运行转速范围和当量比可燃性极限。因此本课题开展微型活塞式内燃机微燃烧理论研究，探索改善甲醇微型内燃机微燃烧的措施。该研究有助于认识极端条件下闭口微燃烧过程的本质特征和发展体积最小的超高能量密度甲醇-硝基甲烷燃料活塞式内燃机。　　本文首先以多维数值仿真模型耦合化学反应动力学的数值仿真研究为主要手段，结合试验研究，对采用热丝助燃的甲醇燃料微型活塞式内燃机微燃烧理论开展了研究，深入考察了各种参数对甲醇内燃机微燃烧特性的影响规律和影响本质机理。结果显示，仿真结果与实验结果比较吻合。研究指出，散热系数对燃烧特性有较明显的影响，而缸壁厚度和材料对燃烧特性影响很小。这是因为在热量从缸内传出到外界环境的热流路径中，主要传热热阻是外壁面与环境之间的对流换热热阻，所以缸壁厚度和材料变动对燃烧特性影响很小。随初始温度和压力提高，自由活性基浓度增加，基元反应速率增加，燃烧过程加快，缸内压力和温度增加，主要排放物NO浓度也增加。稀燃区，随当量比增加，由于燃料浓度增加，燃烧释放的总热量增加，所以缸内温度和压力增加。浓燃区，随当量比增加，实现完全燃烧的燃料减少，所以缸内温度和压力降低。稀燃区当量比主要通过缸内温度来影响微燃烧特性，由缸内温度和氢氧活性基浓度决定燃料消耗量，所以当量比0.6和0.8时虽然总的空气过量，但最终燃料仍未完全消耗。浓燃区当量比主要通过氧气量来影响微燃烧特性。转速越高，缸内燃料燃烧时间越少，燃烧越不充分，燃烧释放总热量越少，所以缸内温度和压力越低，且排放物NO浓度越低。微型内燃机驻留时间远短于宏观机组，转速高时容易出现燃烧不完全，这在设计微型内燃机时值得特别关注。缸径对燃烧特性影响显著，当缸径从10.8mm减小到3.38mm时，缸内压力和平均温度先增大后减小，压力和温度最大值也先增大后减小，且燃气燃烧速率也先增大后减小。构建了适应于微型内燃机燃烧的甲醇-硝基甲烷双燃料燃烧化学反应机理，该机理共52个组分，240步基元反应，该机理得到了微型内燃机的实验验证;对该机理开展了反应动力学研究，获得了反应机理的动力学特征，确定了主要组分的主要反应路径。整个反应低温起始于CH3OH和CH3NO2与O2的脱氢反应，高温起始于CH3NO2的高温分解反应。甲醇主要通过与氢氧自由基发生连续的脱氢反应生成CO，一小部分甲醇及其脱氢产物与NOx发生脱氢和氧化反应生成CO，最后CO被氧化成CO2。CH3NO2主要通过高温分解生成CH3和NO2，大部分CH3与NO2和HO2迅速反应生成CH3O，最后CH3O依次经过CH2O、HCO、CO最终氧化成CO2。研究还获得了主要氮族化合物NO2、NO的主要反应历程。提出了硝基甲烷对甲醇燃料燃烧的助燃微观机理。该助燃机理也适用于其它碳氢燃料燃烧。CH3NO2对CH3OH燃烧助燃作用主要体现在以下几方面:a）通过反应R188NO+HO2=NO2+OH、R187OH+NO(+M)=HONO(+M)、R45CH3+HO2=CH3O+OH三个反应产生大量的OH。反应R188和R45将HO2转换成反应活性更强的OH，反应R187分解产生OH，OH是甲醇燃烧反应机理中最重要的活性基，大量OH的出现，有效的促进了CH3OH的燃烧。b）CH3NO2分解产生NO2和NO，这两种物质与CH3OH及其后续脱氢产物发生反应将使后者脱氢，从而促进甲醇燃料的燃烧。c）CH3NO2密度大于CH3OH，相同汽缸容积能容纳更多的CH3NO2，而CH3NO2通过中间产物CH3O高温分解将产生更多的H，H通过链支化反应将产生更多的OH，从而促进燃烧。基于构建的双燃料燃烧反应机理对采用热丝助燃的甲醇-硝基甲烷双燃料微型活塞式内燃机微燃烧理论开展了研究。从硝基甲烷比例，完全燃烧时的运行转速范围和当量比极限以及临界缸径四个方面考察了硝基甲烷改善微燃烧特性的效果。并探索了各种参数对微燃烧特性的影响规律和影响机理以及微型内燃机实现完全燃烧的临界缸径。仿真结果与实验比较吻合，硝基甲烷促进了燃烧，有效的改善了燃烧特性:1)随硝基甲烷含量增加，在压力上升阶段，同一转角下压力和温度都增加。当CH3NO2含量从0％增加到20％时，其最高压力值增加约1.2E6Pa，温度最高值提高约300K，CH3NO2完全消耗时刻提前7℃A。研究还进一步应用前面提出的硝基甲烷助燃机理对上述燃烧现象进行了微观解释。2）硝基甲烷的加入，还拓宽了完全燃烧时的运行转速范围和当量比极限。双燃料燃烧时实现完全燃烧的临界转速约为12000r/min，而纯甲醇燃烧时临界转速约为6500r/min，前者比后者提高了5500r/min。这为发动机提高转速和功率提供了可能。在文中参数下，双燃料完全燃烧的稀燃极限约为0.7，而纯甲醇完全燃烧时的稀燃极限约为0.9。3）双燃料燃烧时可以采用比纯甲醇燃烧时更小的缸径，有助于开发更小的微型内燃机。在文中参数下前者实现完全燃烧的临界缸径约为3.38mm。而在相同工况下，后者实现完全燃烧的临界缸径约为4.5mm。通过分析还揭示了双燃料燃烧时NO的微观生成机理。双燃料时NO主要由CH3NO2分解产物NO2的还原反应和高温NO生成反应而得。分析还揭示了缸径影响微燃烧特性的机理，缸径对缸内燃烧特性的影响取决于以下三个因素:一是缸内未燃燃气量，二是散热损失占燃烧释放总热量比值，三是燃料完全燃烧时刻。在实现着火的前提下，甲醇-硝基甲烷双燃料均质压燃的整体燃烧时间小于热丝助燃燃烧的整体燃烧时间，有助于微燃烧特性的改善和内燃机向微型化发展。所以文中最后对甲醇-硝基甲烷双燃料微型活塞式内燃机HCCI微燃烧理论开展了研究。探讨了各种参数对HCCI着火和燃烧特性的影响以及实现HCCI燃烧的临界参数。文中工况下实现HCCI燃烧的临界进气温度约为460K，临界压缩比约为16，临界转速约为7000r/min。多维仿真结果表明由于相对散热较大，缸内组分浓度分布具有较大梯度，反应具有较大的不同步。