在众多储能技术中,压缩空气储能技术被认为是具有较大潜力的技术方向。膨胀机以压缩空气作为工作介质对外输出机械功,对压缩空气储能系统性能具有重要影响。相较于螺杆式、涡旋式、自由活塞式、滚动活塞式等结构形式,往复活塞式膨胀机具有技术成熟、密封简单、工质种类多以及成本较低等优点而广泛应用。然而膨胀机工作时负载和进气压力等工况具有不确定性和不稳定性,影响膨胀机的输出特性,同时往复活塞式膨胀机效率低、输出功率不足,这成为制约其发展的瓶颈问题。针对这样的问题,本文基于往复活塞式膨胀机研究的基础上,提出一种多连杆可变膨胀比活塞式膨胀机,通过改变膨胀比的方式优化膨胀机的输出特性,在不同工况下均可实现膨胀机输出机械功的最大利用,本文研究的主要内容包括:（1）首先,基于往复活塞式膨胀机的做功原理,研究能量转换过程,包括膨胀机理想输出功、能量转化率、压缩气体的热力（火用）以及往复活塞式膨胀机几何膨胀比的计算。在此基础上,提出通过改变气缸间隙容积来改变往复活塞式膨胀机膨胀比的方法。（2）其次,根据能量方程、质量流量方程、状态方程和运动方程建立数学模型,利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型。搭建往复活塞式膨胀机实验平台以验证所建立的仿真模型的准确性。结果所得实验数据与仿真数据误差范围控制在±5%以内,验证了仿真模型的可靠性,并对实验与仿真产生误差的原因进行了分析。（3）然后,仿真研究了往复活塞式膨胀机运动过程中缸内气体压力及曲轴瞬时扭矩的变化规律,同时仿真研究进气压力、气缸间隙容积及进气持续角对往复活塞式膨胀机性能影响。结果表明往复活塞式膨胀机的输出功率随进气压力增大而增大,效率随进气压力增大而降低;确定的进气压力下往复活塞式膨胀机的效率对应有不同的最优间隙容积。（4）最后,提出基于多连杆机构的可变膨胀比活塞式膨胀机,介绍了其工作原理并对其进行运动分析,利用Solid Works与MATLAB联合仿真得到不同间隙容积下活塞式膨胀机的输出特性。结果表明:不同进气压力下最高效率所对应的最优间隙容积不同;进气压力确定的情况下,膨胀机不同间隙容积下最大输出功率所对应的转速区间不同;为不同工况下选择膨胀机的最佳膨胀比提供依据;可以为新型膨胀机的设计提供参考。