如今市面上的新能源汽车种类繁多,但无论是在节能环保方面还是在能量来源方面都有明显的不足。因此,针对节能、环保的绿色汽车动力的研究便应运而生且刻不容缓。课题研究来源于上汽通用五菱汽车股份有限公司委托的企业重点项目,对四缸四冲程传统汽油机进行改进创新,提出了一种新型的四缸四冲程往复活塞式气动发动机。本论文将对四冲程气动发动机(F-s CAE)工作过程中的关键技术问题进行理论和试验研究,主要研究内容如下:(1)分析F-s CAE的构成和工作原理,在此基础上建立F-s CAE工作过程的数学模型,包括热力学模型和动力学模型。在基本假设的条件下,基于热力学第一定律,构建热力学微分方程组。同时,对F-s CAE各阶段的热力过程进行分析。建立相关的边界条件和约束方程,基于MATLAB/Simulink对其工作过程进行计算求解。(2)基于CFD对F-s CAE多维模型进行数值模拟。建立仿真所需的物理模型,采用动网格技术对活塞往复运动的气缸进行网格划分。基于计算流体模型所需的基本控制方程,建立湍流模型,并对初始条件和边界条件进行分析。运用Fluent对F-s CAE的工作过程进行数值模拟,计算得出气缸内气体的压力和温度等状态参数的变化规律。将CFD仿真结果与理论分析结果进行对比,相互验证了模型和结果的正确性和可行性,为后续的理论和试验分析奠定基础。(3)基于工作过程的数学模型,对F-s CAE的工作特性进行仿真分析。分析了相关工作参数和配气参数对F-s CAE工作特性的影响,具体包括发动机转速、充气压力、充气温度、缸壁温度、充气提前角、充气持续角和排气提前角。在理论上得到F-s CAE的P-V示功图、平均有效压力、平均有效扭矩、整机有效功率、单缸压缩空气耗气量以及工作效率等性能指标,研究各参数对性能指标的影响以验证F-s CAE的性能特点。(4)在已研究的F-s CAE工作特性的基础上,基于热力学第二定律,建立F-s CAE的(火用)分析数学模型,对工作过程各阶段的(火用)平衡进行分析,探讨不同工作参数和配气参数下的压缩空气流入气缸的(火用)、吸气阶段流入气缸的(火用)、排气阶段流出气缸的(火用)、活塞功的(火用)、系统向缸壁传热的(火用)、系统内的(火用)增、不可逆引起的(火用)损失以及(火用)效率。(5)对四缸F-s CAE系统进行总体设计,详述其各子系统的结构和原理。在此基础上,基于V型开发模式建立气动发动机电控ECU开发系统,以32位MPC5634单片机为微控制单元,开发快速原型控制器。建立Matlab/Simulink控制系统模型,基于自动代码生成技术将模型转化为可执行的目标代码写入快速原型控制器。同时,通过标定测试系统来完成系统的性能和功能测试。基于所建立的系统测试平台,搭建F-s CAE的试验台架,对台架试验进行研究,探讨F-s CAE的速度特性、动力特性和相关配气参数在不同工况下的变化规律。通过实测发现,F-s CAE在整车上的动力表现达到预期效果,增大充气压力可显著提高实际路况下的动力性能,具有广阔的应用前景。