压缩空气拥有能量密度高、清洁、可持续利用等诸多优点,搭载在汽车上不仅能缓解日益增长的能源危机,而且排放的尾气无污染。针对如何设计一款新型气动发动机,利用高压气体实现高效做功这一问题,研究了高压气体在腔室内容积减压膨胀做功方法、MATLAB建模仿真方法、光电检测冲程方法以及样机试验方法。针对气动汽车的性能要求,对气动发动机高效膨胀做功展开了研究,在单缸气动发动机研究基础上,改进了整体结构设计,并设计了一款能够在高压下实现高效做功的两级四缸气动发动机。采用做功分析的方法,制定了两级四缸气动发动机配气控制回路,并基于热力学和理论力学原理,建立了气动发动机的数值仿真模型。利用MATLAB软件仿真了主要参数对气动发动机气动效率的影响,并与单缸气动发动机气动效率进行对比。仿真表明:等温膨胀的工况下,一级气缸程径比选择最佳区间6～6.5,二级为4-8,气动发动机的气动效率保持51.2%左右。针对气动发动机的设计需求,完成了气动发动机曲轴的设计及零件校核,依据气动发动机的工作原理,制定了气动发动机冲程检测方案,运用倍频计数算法提高系统控制精度降低冗余度,优化了控制策略。同时利用台架试验方法,获得了负载轮角速度试验数据,绘制出图像与仿真的数据进行对比、分析,验证了模型的可行性。