近年来，空气污染问题日益严重，雾霾天气频现，空气污染业已成为治理环境污染的首要问题。空气污染很大一部分是由汽车排放的尾气造成的，传统汽车在造成严重的环境污染的同时还消耗着大量的不可再生的化石能源，而这些能源将在不远的将来面临枯竭。气动汽车为解决此类问题提供了一个良好的思路，由于气动汽车利用压缩气体作为动力源，在使用过程中无任何污染气体排放，做到了节能减排的要求。　　本文首先提出了往复活塞式气动发动机设计思路，利用压缩气体推动活塞做往复直线运动，并通过齿轮与齿条将往复运动转换为旋转运动输出。设计了一种两级气动发动机，介绍了工作原理，建立其数学模型，完成了气动发动机的总体结构设计与本分零部件的结构设计与强度校核。利用AMESim仿真软件验证了该气动发动机设计方案的可行性，并对一些参数对气动发动机工作性能的影响作了研究，为后续的研究工作提供了理论依据。　　气动汽车储气罐内储存的高压气体压力远大于气动发动机的工作压力，所以在储气罐与气动发动机之间需要一个减压系统。为了减少减压过程中气体的能量损失，减压系统采用容积减压的方式，文中分析了高压气体膨胀减压的多变过程，设计了一种多级差动式高压气体减压系统，介绍了该减压系统的主要构成与工作过程，利用仿真软件验证了其可行性以及热交换系数与气缸缸径的改变对气体能量的影响。　　利用台架试验研究气动发动机的工作性能，通过对试验数据的采集与分析论证了前期理论工作的正确性，也为气动发动机的研究提供参考依据。