压缩天然气发动机活塞开发
吴义民 马殿军 李金辉
（山东滨州渤海活塞股份有限公司.国家级企业技术中心; 山东.滨州 256602）
摘要：总结了过去一段时间内压缩天然气发动机活塞设计开发经验，通过对压缩天然气发动机的使用情况和特点分析了天然气发动机活塞设计需要注意的问题以及相关故障分析，通过实例介绍了天然气发动机活塞设计开发过程。
本文所论述的是重型车用柴油机改造的天然气发动机活塞的开发
关键词：CNG 活塞 发动机
The Piston Development of CNG-Engine
Wu Yimin Ma Dianjun Li Jinhui
(Shandong Binzhou Bohai Piston Co.,Ltd. Product Development Technical Center, Shandong Binzhou 256602)
Abstract: Summarized the design experience of compression natural gas piston in the period of past time. Established the issues that should be attentive and the failure analysis for natural gas engine piston according to the using instance and characteristics. Introduced the design and development process of natural gas engine piston by causes.
What this test dissertates is the development of natural gas engine piston which was
reconstructed from the heavy diesel engine piston.
Keyword: CNG Piston Engine
当今世界经济的发展是以能源保证为依托，随着经济发展对能源需求的日益扩大，石油作为当今的主要能源，最终将面临枯竭；另外，各国对生态环境保护要求的不断提高，也促使寻求一种新的更加清洁的能源替代传统的石油燃料。世界各地科研人员为此作了大量的研究工作,在代用燃料中，主要是纯氢、醚类、醇类、天然气等清洁燃料，综合考虑成本、安全、推广前景等因素，天然气同其他清洁能源相比，具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经济实用等优点，因此天然气必将是今后一段时期内最佳的代用燃料之一。
3目前，全世界探明的天然气储量为155万亿m，可用60年以上，甚至有世界能源专家预测，地球上
的天然气可用200年以上。天然气现已成为继石油、煤炭之后的第三大能源，占到世界能源消耗量的23%。国外研究发展天然气发动机已经有100年的历史，到目前为止，全世界共拥有天然气汽车400万辆以上，已成为与工业、民用、发电、商业并列的重要的天然气细分市场。
由于受到多方面因素的影响，我国在使用天然气方面起步较晚，天然气发动机的应用还处于初级阶段。
基本上是在原型发动机的基础上改进产品，全新开发的适用于天然气的机型凤毛麟角。但是，随着国家对环保要求的不断提高，天然气发动机的研究已成为当前发动机技术的一个重要发展方向。我国天然气汽车发展迅猛，已从城市公交、出租汽车发展到重型卡车领域。
1、早期天然气发动机活塞及存在的问题
我国从上世纪50年代开始对常压天然气发动机进行研究，90年代后各大柴油机生产厂家纷纷研究开
发压缩天然气发动机，早期设计开发的天然气发动机，一般是在原型柴油机的基础上改造而成，去掉原供油系统后增加供气、点火系统，另外为了保证发动机小压缩比的需求而在活塞顶部挖一较大的燃烧室，燃烧室的形式主要有缩口型、中凸敞口型、ω型、盆形中凸型等型式（见图1-1 1-2 1-3 1-4）。因为这些结构都是在原柴油机活塞基础上改进而成，所以早期的天然气发动机活塞存在以下缺陷：
A 活塞顶部较薄；
B 活塞第一环槽的位置在燃烧室中部；
C、有的活塞没有振荡冷却油腔。
这样一来造成活塞整体热负荷较高，特
别是活塞第一环槽和顶面。
1-1缩口形燃烧室 1-2中凸敞口型燃烧室
1-4 盆形中凸燃烧室 1-3 ω型燃烧室
由于当时受天然气输送条件的限制，天然气发动机进行台架试验困难较大，尤其是进行耐久、热冲击
等可靠性考核。所以这些活塞装机使用后陆续出现一些问题，最终没有形成批量生产。反映出来的问题主
要是活塞顶烧蚀、活塞环卡滞、机油耗高等问题。 虽然这些问题并不能说明是活塞质量问题，但从另一
个侧面也反映出当时活塞设计时没有充分的考虑到天然气发动机的工作特点。
图2是活塞顶面烧蚀的图片，剥落的铝屑沾满了燃烧室、
气缸盖、火花塞，在进气道、排气管内也有熔化的铝屑。究其
原因，是因为以下因素造成的。
A、天然气发动机的热负荷相对柴油机高；
B、天然气发动机活塞顶部的大燃烧室结构使活塞顶部成为
“薄壁”圆筒件，吸热面积增大而传热能力下降；
C、活塞第一环槽的环座阻止了热量向下传递；
D、没有采取有效的强制冷却结构-振荡冷却油腔； 在发动机正常运行时，活塞顶面温度还不是太高（
图2 活塞顶面烧蚀 如果发动机较长时间在大负荷运转或频繁启动时，则会造成活塞
顶面温度急剧上升，使活塞顶面铝基体变“软”，在燃烧冲击波的
作用下一点点剥落，最终形成图2所示的烧蚀现象。
2、活塞设计实例
进行天然气发动机活塞设计必须要了解天然气以及天然气发
动机的特点，特别是天然气发动机与柴油机的区别：燃料的混合、
点火方式、燃烧模式、燃烧特性、相关的配置技术等。
天然气是以CH4为主的清洁能源，具有良好的抗爆性能（柴油、
汽油和天然气的性能比较见表一），是最为成熟的石油代用能源之
一。目前我国开发的天然气发动机一般采用电控混合进气、稀薄
燃烧方式，将天然气喷入进气歧管形成过量空气系数约为1.5的图3 开发的新活塞图 稀薄混合气，混合气进入气缸后在压缩行程上止点前被高能火花塞
点燃，形成类似汽油机的分层燃烧。由于燃烧时间长，使得排气温度较高，从而造成天然气发动机的整体
热负荷较高。天然气发动机的发展离不开新技术的支持，随着缸内电控高压喷射、可变配气相位、进气增
压、稀薄燃烧、催化、新材料等技术的成熟，天然气发动机将得到长足的发展。
表一 柴油、汽油和天然气对比
本次开发的天然气发动机是在原柴油机基础上改造而成，连杆、缸套、活塞销不变，只改变了活塞和
活塞环，下面介绍活塞设计几个重要方面：
2.1销孔设计
为保持与柴油机零部件的通用性，发动机采用原发动机的连杆；由于天然气发动机的最大爆发压力的
降低，使活塞销孔比压也大幅降低，如将活塞销孔比压控制在50MPa左右，活塞可采用直销孔，而不必采
用锥形结构。
2.2燃烧室设计
因为进气为混合气体,天气发动机对活塞燃烧室没有特殊的要求，采用盆形即可，设计遵循汽油机燃
烧室原则-尽量等距离设计。燃烧室设计考虑的关键是结构强度和降低活塞热负荷，由于压缩比ε的降低
（一般由17.5降为11），需要大幅增加燃烧室容积。设计燃烧室时，燃烧室口径不要太大，d/D一般不大
于0.7,如果该比值过大将造成活塞外圆与燃烧室之间温度过高；燃烧室深度也不宜过大，因为受燃烧室容
积的影响会使活塞内腔顶过薄，顶厚一般不小于0.12D。如果以上要求达不到，则采取减小压缩高度，增
加余隙高度的方法，以满足发动机压缩比的要求。
2.3环槽的布置和设计：
2.3.1活塞第一环槽的位置最接近活塞顶面，温度最高，如果第一环槽的温度超过240℃，机油会在此胶
结，将造成活塞环卡滞、折断等失效方式。天然气发动机活塞热负荷较高，为降低活塞第一环槽的热负荷，
一般将第一环槽位置下移至与燃烧室底部平齐。第一环槽位置的下移导致第二环岸高度减小、强度降低，
在保证使用强度的情况下，二、三环槽可以保持原位置，否则
需将二、三环槽位置整体下移。
2.3.2 原活塞环座的侧面形状是斜面，环槽底到环座内径的距
离大、环槽侧面厚度较大。现在的设计减小了环槽底到环座内
径的距离和环槽侧面厚度，而且将环座侧面由斜面变为直面
（图4），这设计的优点是：
A、降低了活塞环座的质量，也降低了活塞质量； 原设计 现设计
B、降低了活塞原材料成本； 图4：活塞环座尺寸变化 C、减小了热传导的阻碍，降低活塞顶面温度。
2.3.3 天然气发动机活塞油环结构形式与柴油机活塞油环结
构形式不同，采用的是钢带环，活塞油环槽尺寸也相应的作了
调整。
2.4机油回流的方式
前期开发的天然气发动机市场普遍反馈机油耗高，尤其是
在山区使用的汽车天然气发动机，在下坡时车辆倒拖发动机，
在燃烧室内形成负压，将机油吸入燃烧室，造成发动机机油消
耗成倍增加；排气制动技术暂时还不能够在压缩天然气发动机
上应用，为了降低发动机机油耗，除正确操作车辆（如避免低
档位倒拖）、提高发动机气门导杆、增压器的密封性外，强化
活塞环的刮油和机油顺利回流也是一个非常重要的措施，所以
在设计活塞时，要求采取多种方式回油：外回油、内回油， 图5 1000小时耐久活塞图片 在活塞长轴设置盲孔等方式。
2.5、内冷油道的设计
活塞冷却油腔的设计也非常的重要（必要），尤其是对缸径较大，强化程度较高的发动机，其设计理念
与柴油机类似，在满足强度要求的基础上尽量将油腔位置提高，保持一定的高度和表面积，不允许存在尖
角和毛刺。由于铸造技术的提高，活塞冷却油腔与环座之间的距离最小可以减小到3.5mm左右，与环槽底
面之间的距离不小于4mm；由于天然气发动机比柴油机的热负荷高，所以天然气发动机活塞承受的热负荷
也高，通常情况下，活塞设计有冷却油腔。
3、装机试验
该活塞虽然不是全新概念开发的天然气活塞，但将所有设计理念体现在了活塞设计上，同时保持了与
原型柴油机大部零部件的通用性。
3.1 可靠性试验
该活塞通过装机试验，各项性能指标均满足发动机的使用要求；可靠性考核运行到800小时后拆机检
验，发现在活塞顶部沉寂有大量的白色物质，并且在局部形成层较厚，用小刀轻轻一翘，有片状物质剥落（详见图5），将剥落得碎末在扫描电镜下分析，该物质主要成分为C，其余还有S、Fe、Zn、P，以及Na、Si、Al、Cu等微量元素，具体如图6、图7所示。
因为在其它天然气发动机活塞顶面上也发现了类似的物质，所以最初分析认为，这些物质可能是天然气中的杂质，在燃烧过程中沉积到了活塞顶面。2008年7月份，在某汽油机活塞顶面也发现了类似的情况，检测结果如图8。后来，在柴油机活塞顶面积碳成分检测中也发现了Ca、O、C等物质，那么Ca从何处而来呢？经过综合分析认为这是由于发动机的冷却水进入气缸造成的，而且这种密封不严的情况是普遍的存在，只是发生在气缸内部，不宜被发现而已。据分析的结果，通过向用户提出建议并经改善密封垫后，再 也没有出现含钙沉积物。
图6 活塞顶面沉积物成分（红色区域内）
图7 活塞顶面沉积物成分（局部点）
3.2 活塞表面温度分布测试 图8： 某汽油机活塞顶面沉积物
活塞表面温度分布测试采用的是硬度塞测量法，将硬度塞安装在活塞表面指定位置并进行装机试验，然后拆机从活塞上取下硬度塞测量其残余硬度，通过与硬度塞温度-硬度曲线进行比较，确定活塞表面部 位的温度分布情况。在本次测量试验中，1点安装在活塞燃烧室中央，2～5点安装在活塞燃烧室底部，6～9点安装在活塞顶面，10～13点安装在活塞火力岸中间，14～17点安装在第一环岸。试验结果显示，活塞顶面在320℃左右，燃烧室底部270℃左右，燃烧室中央300℃左右，火力岸中间310℃左右，第一环岸205℃左右。
以上试验数据除第一环槽外，其余部位的温度均满足活塞设计要求；根据试验数据推测，活塞第一环槽位置的温度大约在240～260℃，按照机油结胶温度看此数值偏高，但发动机在装机试验中没有发生活塞环卡滞现象。
图9 活塞顶部测试温度
4、结论
本次开发的天气发动机活塞是成功的，现在已批量生产。
天然气发动机活塞开发不同于柴油机、汽油机活塞，不能简单的只是在原活塞结构的基础上改变压缩比，而要根据天然气及天然气发动机的特点，在满足活塞结构强度的情况下，主要任务是降低活塞热负荷，降低热负荷的有效手段主要是内冷油腔强制冷却、活塞第一环槽位置下移和避免出现薄壁结构；降低发动机机油消耗是天然气发动机活塞设计的另一个重要课题，除提高活塞环刮下机油的回流外，还要提高油环的刮油能力。
本次天然气发动机活塞的开发，意外发现了许多发动机存在冷却水密封问题（包括柴油机和汽油机），在发动机运行过程中有冷却水进入到气缸中，冷却水的蒸发降低了活塞顶面的温度和燃气温度，同时也降低了NOX的排放，但这并不是解决活塞热负荷问题和降低发动机排放的办法。
参考文献：
[1] 孟金喆等.天然气发动机工作过程模拟分析研究.柴油机，2005 No.6
[2] 施崇槐.YC6112ZLQM型电控稀薄燃烧CNG单燃料发动机开发研究. 柴油机，2005 No.6
[3] 林在梨，杨学杰.世界能源状况及车用天然气发动机技术发展.柴油机 2006 No.4
压缩天然气发动机活塞开发
吴义民 马殿军 李金辉
（山东滨州渤海活塞股份有限公司.国家级企业技术中心; 山东.滨州 256602）
摘要：总结了过去一段时间内压缩天然气发动机活塞设计开发经验，通过对压缩天然气发动机的使用情况和特点分析了天然气发动机活塞设计需要注意的问题以及相关故障分析，通过实例介绍了天然气发动机活塞设计开发过程。
本文所论述的是重型车用柴油机改造的天然气发动机活塞的开发
关键词：CNG 活塞 发动机
The Piston Development of CNG-Engine
Wu Yimin Ma Dianjun Li Jinhui
(Shandong Binzhou Bohai Piston Co.,Ltd. Product Development Technical Center, Shandong Binzhou 256602)
Abstract: Summarized the design experience of compression natural gas piston in the period of past time. Established the issues that should be attentive and the failure analysis for natural gas engine piston according to the using instance and characteristics. Introduced the design and development process of natural gas engine piston by causes.
What this test dissertates is the development of natural gas engine piston which was
reconstructed from the heavy diesel engine piston.
Keyword: CNG Piston Engine
当今世界经济的发展是以能源保证为依托，随着经济发展对能源需求的日益扩大，石油作为当今的主要能源，最终将面临枯竭；另外，各国对生态环境保护要求的不断提高，也促使寻求一种新的更加清洁的能源替代传统的石油燃料。世界各地科研人员为此作了大量的研究工作,在代用燃料中，主要是纯氢、醚类、醇类、天然气等清洁燃料，综合考虑成本、安全、推广前景等因素，天然气同其他清洁能源相比，具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经济实用等优点，因此天然气必将是今后一段时期内最佳的代用燃料之一。
3目前，全世界探明的天然气储量为155万亿m，可用60年以上，甚至有世界能源专家预测，地球上
的天然气可用200年以上。天然气现已成为继石油、煤炭之后的第三大能源，占到世界能源消耗量的23%。国外研究发展天然气发动机已经有100年的历史，到目前为止，全世界共拥有天然气汽车400万辆以上，已成为与工业、民用、发电、商业并列的重要的天然气细分市场。
由于受到多方面因素的影响，我国在使用天然气方面起步较晚，天然气发动机的应用还处于初级阶段。
基本上是在原型发动机的基础上改进产品，全新开发的适用于天然气的机型凤毛麟角。但是，随着国家对环保要求的不断提高，天然气发动机的研究已成为当前发动机技术的一个重要发展方向。我国天然气汽车发展迅猛，已从城市公交、出租汽车发展到重型卡车领域。
1、早期天然气发动机活塞及存在的问题
我国从上世纪50年代开始对常压天然气发动机进行研究，90年代后各大柴油机生产厂家纷纷研究开
发压缩天然气发动机，早期设计开发的天然气发动机，一般是在原型柴油机的基础上改造而成，去掉原供油系统后增加供气、点火系统，另外为了保证发动机小压缩比的需求而在活塞顶部挖一较大的燃烧室，燃烧室的形式主要有缩口型、中凸敞口型、ω型、盆形中凸型等型式（见图1-1 1-2 1-3 1-4）。因为这些结构都是在原柴油机活塞基础上改进而成，所以早期的天然气发动机活塞存在以下缺陷：
A 活塞顶部较薄；
B 活塞第一环槽的位置在燃烧室中部；
C、有的活塞没有振荡冷却油腔。
这样一来造成活塞整体热负荷较高，特
别是活塞第一环槽和顶面。
1-1缩口形燃烧室 1-2中凸敞口型燃烧室
1-4 盆形中凸燃烧室 1-3 ω型燃烧室
由于当时受天然气输送条件的限制，天然气发动机进行台架试验困难较大，尤其是进行耐久、热冲击
等可靠性考核。所以这些活塞装机使用后陆续出现一些问题，最终没有形成批量生产。反映出来的问题主
要是活塞顶烧蚀、活塞环卡滞、机油耗高等问题。 虽然这些问题并不能说明是活塞质量问题，但从另一
个侧面也反映出当时活塞设计时没有充分的考虑到天然气发动机的工作特点。
图2是活塞顶面烧蚀的图片，剥落的铝屑沾满了燃烧室、
气缸盖、火花塞，在进气道、排气管内也有熔化的铝屑。究其
原因，是因为以下因素造成的。
A、天然气发动机的热负荷相对柴油机高；
B、天然气发动机活塞顶部的大燃烧室结构使活塞顶部成为
“薄壁”圆筒件，吸热面积增大而传热能力下降；
C、活塞第一环槽的环座阻止了热量向下传递；
D、没有采取有效的强制冷却结构-振荡冷却油腔； 在发动机正常运行时，活塞顶面温度还不是太高（
图2 活塞顶面烧蚀 如果发动机较长时间在大负荷运转或频繁启动时，则会造成活塞
顶面温度急剧上升，使活塞顶面铝基体变“软”，在燃烧冲击波的
作用下一点点剥落，最终形成图2所示的烧蚀现象。
2、活塞设计实例
进行天然气发动机活塞设计必须要了解天然气以及天然气发
动机的特点，特别是天然气发动机与柴油机的区别：燃料的混合、
点火方式、燃烧模式、燃烧特性、相关的配置技术等。
天然气是以CH4为主的清洁能源，具有良好的抗爆性能（柴油、
汽油和天然气的性能比较见表一），是最为成熟的石油代用能源之
一。目前我国开发的天然气发动机一般采用电控混合进气、稀薄
燃烧方式，将天然气喷入进气歧管形成过量空气系数约为1.5的图3 开发的新活塞图 稀薄混合气，混合气进入气缸后在压缩行程上止点前被高能火花塞
点燃，形成类似汽油机的分层燃烧。由于燃烧时间长，使得排气温度较高，从而造成天然气发动机的整体
热负荷较高。天然气发动机的发展离不开新技术的支持，随着缸内电控高压喷射、可变配气相位、进气增
压、稀薄燃烧、催化、新材料等技术的成熟，天然气发动机将得到长足的发展。
表一 柴油、汽油和天然气对比
本次开发的天然气发动机是在原柴油机基础上改造而成，连杆、缸套、活塞销不变，只改变了活塞和
活塞环，下面介绍活塞设计几个重要方面：
2.1销孔设计
为保持与柴油机零部件的通用性，发动机采用原发动机的连杆；由于天然气发动机的最大爆发压力的
降低，使活塞销孔比压也大幅降低，如将活塞销孔比压控制在50MPa左右，活塞可采用直销孔，而不必采
用锥形结构。
2.2燃烧室设计
因为进气为混合气体,天气发动机对活塞燃烧室没有特殊的要求，采用盆形即可，设计遵循汽油机燃
烧室原则-尽量等距离设计。燃烧室设计考虑的关键是结构强度和降低活塞热负荷，由于压缩比ε的降低
（一般由17.5降为11），需要大幅增加燃烧室容积。设计燃烧室时，燃烧室口径不要太大，d/D一般不大
于0.7,如果该比值过大将造成活塞外圆与燃烧室之间温度过高；燃烧室深度也不宜过大，因为受燃烧室容
积的影响会使活塞内腔顶过薄，顶厚一般不小于0.12D。如果以上要求达不到，则采取减小压缩高度，增
加余隙高度的方法，以满足发动机压缩比的要求。
2.3环槽的布置和设计：
2.3.1活塞第一环槽的位置最接近活塞顶面，温度最高，如果第一环槽的温度超过240℃，机油会在此胶
结，将造成活塞环卡滞、折断等失效方式。天然气发动机活塞热负荷较高，为降低活塞第一环槽的热负荷，
一般将第一环槽位置下移至与燃烧室底部平齐。第一环槽位置的下移导致第二环岸高度减小、强度降低，
在保证使用强度的情况下，二、三环槽可以保持原位置，否则
需将二、三环槽位置整体下移。
2.3.2 原活塞环座的侧面形状是斜面，环槽底到环座内径的距
离大、环槽侧面厚度较大。现在的设计减小了环槽底到环座内
径的距离和环槽侧面厚度，而且将环座侧面由斜面变为直面
（图4），这设计的优点是：
A、降低了活塞环座的质量，也降低了活塞质量； 原设计 现设计
B、降低了活塞原材料成本； 图4：活塞环座尺寸变化 C、减小了热传导的阻碍，降低活塞顶面温度。
2.3.3 天然气发动机活塞油环结构形式与柴油机活塞油环结
构形式不同，采用的是钢带环，活塞油环槽尺寸也相应的作了
调整。
2.4机油回流的方式
前期开发的天然气发动机市场普遍反馈机油耗高，尤其是
在山区使用的汽车天然气发动机，在下坡时车辆倒拖发动机，
在燃烧室内形成负压，将机油吸入燃烧室，造成发动机机油消
耗成倍增加；排气制动技术暂时还不能够在压缩天然气发动机
上应用，为了降低发动机机油耗，除正确操作车辆（如避免低
档位倒拖）、提高发动机气门导杆、增压器的密封性外，强化
活塞环的刮油和机油顺利回流也是一个非常重要的措施，所以
在设计活塞时，要求采取多种方式回油：外回油、内回油， 图5 1000小时耐久活塞图片 在活塞长轴设置盲孔等方式。
2.5、内冷油道的设计
活塞冷却油腔的设计也非常的重要（必要），尤其是对缸径较大，强化程度较高的发动机，其设计理念
与柴油机类似，在满足强度要求的基础上尽量将油腔位置提高，保持一定的高度和表面积，不允许存在尖
角和毛刺。由于铸造技术的提高，活塞冷却油腔与环座之间的距离最小可以减小到3.5mm左右，与环槽底
面之间的距离不小于4mm；由于天然气发动机比柴油机的热负荷高，所以天然气发动机活塞承受的热负荷
也高，通常情况下，活塞设计有冷却油腔。
3、装机试验
该活塞虽然不是全新概念开发的天然气活塞，但将所有设计理念体现在了活塞设计上，同时保持了与
原型柴油机大部零部件的通用性。
3.1 可靠性试验
该活塞通过装机试验，各项性能指标均满足发动机的使用要求；可靠性考核运行到800小时后拆机检
验，发现在活塞顶部沉寂有大量的白色物质，并且在局部形成层较厚，用小刀轻轻一翘，有片状物质剥落（详见图5），将剥落得碎末在扫描电镜下分析，该物质主要成分为C，其余还有S、Fe、Zn、P，以及Na、Si、Al、Cu等微量元素，具体如图6、图7所示。
因为在其它天然气发动机活塞顶面上也发现了类似的物质，所以最初分析认为，这些物质可能是天然气中的杂质，在燃烧过程中沉积到了活塞顶面。2008年7月份，在某汽油机活塞顶面也发现了类似的情况，检测结果如图8。后来，在柴油机活塞顶面积碳成分检测中也发现了Ca、O、C等物质，那么Ca从何处而来呢？经过综合分析认为这是由于发动机的冷却水进入气缸造成的，而且这种密封不严的情况是普遍的存在，只是发生在气缸内部，不宜被发现而已。据分析的结果，通过向用户提出建议并经改善密封垫后，再 也没有出现含钙沉积物。
图6 活塞顶面沉积物成分（红色区域内）
图7 活塞顶面沉积物成分（局部点）
3.2 活塞表面温度分布测试 图8： 某汽油机活塞顶面沉积物
活塞表面温度分布测试采用的是硬度塞测量法，将硬度塞安装在活塞表面指定位置并进行装机试验，然后拆机从活塞上取下硬度塞测量其残余硬度，通过与硬度塞温度-硬度曲线进行比较，确定活塞表面部 位的温度分布情况。在本次测量试验中，1点安装在活塞燃烧室中央，2～5点安装在活塞燃烧室底部，6～9点安装在活塞顶面，10～13点安装在活塞火力岸中间，14～17点安装在第一环岸。试验结果显示，活塞顶面在320℃左右，燃烧室底部270℃左右，燃烧室中央300℃左右，火力岸中间310℃左右，第一环岸205℃左右。
以上试验数据除第一环槽外，其余部位的温度均满足活塞设计要求；根据试验数据推测，活塞第一环槽位置的温度大约在240～260℃，按照机油结胶温度看此数值偏高，但发动机在装机试验中没有发生活塞环卡滞现象。
图9 活塞顶部测试温度
4、结论
本次开发的天气发动机活塞是成功的，现在已批量生产。
天然气发动机活塞开发不同于柴油机、汽油机活塞，不能简单的只是在原活塞结构的基础上改变压缩比，而要根据天然气及天然气发动机的特点，在满足活塞结构强度的情况下，主要任务是降低活塞热负荷，降低热负荷的有效手段主要是内冷油腔强制冷却、活塞第一环槽位置下移和避免出现薄壁结构；降低发动机机油消耗是天然气发动机活塞设计的另一个重要课题，除提高活塞环刮下机油的回流外，还要提高油环的刮油能力。
本次天然气发动机活塞的开发，意外发现了许多发动机存在冷却水密封问题（包括柴油机和汽油机），在发动机运行过程中有冷却水进入到气缸中，冷却水的蒸发降低了活塞顶面的温度和燃气温度，同时也降低了NOX的排放，但这并不是解决活塞热负荷问题和降低发动机排放的办法。
参考文献：
[1] 孟金喆等.天然气发动机工作过程模拟分析研究.柴油机，2005 No.6
[2] 施崇槐.YC6112ZLQM型电控稀薄燃烧CNG单燃料发动机开发研究. 柴油机，2005 No.6
[3] 林在梨，杨学杰.世界能源状况及车用天然气发动机技术发展.柴油机 2006 No.4