近年来,汽车保有量不断增加,内燃机在今后几十年仍将作为汽车的主要动力源。由此消耗的石油资源也逐年攀升,同时对环境构成巨大的压力。而传统内燃机燃料燃烧的能量大半通过排气和冷却水耗散至大气中,此外在城市道路行驶的车辆还因频繁制动消耗着较大比例的能量。因此,对传统内燃机开展废弃能量回收利用具有重大意义。本文以压缩空气作为储能利用介质,对车辆制动能量回收利用理论与技术进行研究。基于传统内燃机,分别从压缩空气能量回收理论、能量利用理论以及基于混合动力系统的压缩空气能量应用方案效果分析的角度开展工作。全文主要工作及结论如下：1、基于内燃机改造的空气压缩热力循环理论研究。探讨基于内燃机改造的空气压缩循环模式,提出分别采用附加气门和排气门回收的空气压缩技术方案。基于变质量系统热力学理论,结合不同回收方式,分别对四冲程和二冲程压缩循环进行了建模分析,得到了等效压缩比、气罐压力以及气阀相位等参数对空气压缩循环性能的影响规律。在此基础上,基于全可变气门,对空气压缩循环进行优化分析,探讨两级压缩循环的可行性。2、空气压缩模式工作过程数值仿真与试验研究。分别针对采用附加气门回收压缩空气的四冲程压缩模式和采用排气门回收压缩空气的二冲程压缩模式,开展数值建模计算以及试验验证。经过对比分析,上述四冲程压缩模式虽然能量转化比较高,但是制动比功率较小,同时气体回收质量也较少。而二冲程压缩模式可以提供的制动力矩较大,回收的气体质量较多,制动能量回收效果较好。3、基于空气压缩模式的制动工况能量回收效率分析。将基于内燃机改造的空气压缩模式应用到车辆具体制动工况中,分析制动工况以及储气罐参数对能量回收效率的影响规律。结果表明,对于典型的乘用车车型,车辆初始速度超过20km/h,制动减速度超过0.4m/s2的制动工况开展制动能量回收的潜力较大。在不同的制动工况下,制动减速度0.6 m/s2-0.8 m/s2范围内的制动能量回收效率最佳。气罐容积大小、初始压力对能量回收效率的影响较大。4、基于直接膨胀做功的压缩空气能量利用研究。对压缩空气用于直接膨胀做功的利用方式进行了研究,首先分析了压缩空气膨胀做功基础热力循环性能。然后,建立了压缩空气膨胀做功模式工作过程模型,分析了喷气阀这一重要零部件以及进气管缓冲腔容积对于膨胀循环特性的影响。最后结合制动能量回收的有限质量的压缩空气,开展压缩空气用于辅助起动内燃机和辅助起动车辆的可行性分析。结果表明,将压缩空气用于辅助起动内燃机的实施方案更可行。5、基于制动能量回收的压缩空气能量应用方案研究。综合空气压缩模式回收制动能量和压缩空气辅助内燃机起动,提出了基于起-停功能的气动-内燃混合动力系统方案,并以某城市公交车为分析对象,计算了上述混合动力方案的节油效果。在此基础上,针对低压部分的压缩空气,研究其用于增压内燃机补气的应用效果。结果表明,在NEDC、UDDS、 JAPAN10-15和CBDC四种循环工况下,通过空气压缩模式回收的制动能量分别占到总驱动能量20.2%、26.8%、34.5%和29.9%,采用内燃机起-停的混合动力方案最终可分别实现节油率5.5%、7.3%、9.4%和13.7%。通过节油率的贡献细分表明,取消停车怠速贡献的节油率在NEDC、UDDS、JAPAN10-15和CBDC四个循环工况分别达到3.2%、2.5%、5.5%和7.1%,而通过制动能量回收贡献的节油率分别达到2.2%、4.8%、3.9%和6.6%。采用低压部分压缩空气对增压内燃机进行补气的应用方案可以明显提升内燃机在瞬态加载、加速工况的响应性能。