发动机热负荷问题已经成为影响发动机设计成败及发动机能否稳定运行的关键问题。对发动机及其受热零部件传热与热负荷问题的研究一直是发动机研发中的重要课题。发动机活塞作为发动机主要受热做功零部件，其工作状态直接影响着发动机能否正常运行。活塞受高温燃气直接作用，承受着高热负荷；相比于其它受热零部件，活塞散热条件更差，其热负荷更高于其它受热零部件。过高的热负荷会引起活塞拉缸、烧蚀甚至破裂等严重的故障问题。并且，随着高强化高热负荷发动机机型的研制，发动机热负荷进一步提升，活塞热负荷更加严重，更凸显了活塞热负荷研究的重要性。同时，由于活塞传热过程复杂，其热负荷研究困难，活塞热负荷研究也一直是发动机热负荷研究中的难点问题。因此，开展发动机活塞热负荷研究，分析活塞热负荷机理与规律，寻找有效途径减少活塞热负荷故障问题对发动机性能提升的限制，能有效地促进发动机发展。　　本文围绕发动机活塞热负荷这一核心问题开展了一系列研究工作。研究过程中，对发动机活塞传热与热负荷机理进行了总结，对活塞热负荷研究方法进行了研究，并对高热负荷的天然气发动机活塞进行了热负荷分析。进一步研究中，为解决发动机活塞热负荷问题对发动机发展的阻碍，结合利用纳米热障涂层技术，研制了纳米陶瓷热障涂层活塞，以提高活塞承载热负荷及高温的能力，并且对热障涂层活塞的结构性能及热负荷分布规律进行了研究。本文主要具体开展了如下工作：　　(1)对发动机活塞热负荷试验研究方法与数值仿真研究方法进行了研究。发动机活塞热负荷试验方法研究中，着重研究了硬度塞测温法，利用硬度塞测温法对两款发动机活塞热负荷进行了试验测量研究，获得了其温度分布规律。试验结果表明：两款发动机活塞均承受着较高的温度与较大的温度梯度；同时，由于两款发动机活塞结构相似，活塞温度分布规律相似，活塞的高温区域均集中在活塞燃烧室区域，活塞燃烧室喉口区域的温度值最高，热负荷较高。两款活塞试验测量结果的相似性也一定程度上验证了硬度塞测温法的准确可靠性。发动机活塞热负荷数值仿真方法研究中，着重研究了有限元数值求解方法，利用有限元法对活塞热负荷进行了数值仿真分析，获得了活塞的温度场、热应力场及热变形分布规律。仿真结果表明：活塞热负荷严重，活塞承受着较高的工作温度与较大的温度梯度；活塞的高温区域集中在活塞燃烧室区域，最高温度位于活塞燃烧室喉口区域；活塞热负荷仿真结果与试验测量结果相吻合，验证了硬度塞测温法与有限元数值仿真方法的准确可靠性。　　(2)对热负荷问题突出的天然气发动机活塞开展了热负荷分析研究。本文以玉柴6MK型天然气发动机为具体研究对象，采用硬度塞测温法与有限元数值仿真方法对该天然气发动机活塞热负荷开展了试验测量研究与数值仿真研究，获得了天然气发动机活塞热负荷分布规律，并对活塞热负荷情况进行了评估。研究结果表明：天然气发动机活塞承受着高热负荷，活塞温度较高，最高温度已经接近活塞材料的工作极限；活塞热变形较大，活塞横向最大变形量已经接近活塞缸套组件的最大设计配合间隙，需要对其热负荷进行合理优化。　　(3)开展了等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层活塞研究。结合纳米热障涂层技术发展研究现状，设计研制了用于发动机的等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层活塞，其热障涂层采用双层结构，以铝合金活塞为基体，合金材料(NiCoCrAlY)为粘接层，纳米陶瓷材料(ZrO2-8％Y2O3)为陶瓷面层；并对热障涂层的微观组织结构和相关性能进行了测试分析。进一步研究中，对研制的纳米陶瓷热障涂层活塞进行了发动机台架试验，并对试验前后的热障涂层进行了表征分析，检验了设计方案的可行性。　　(4)对发动机纳米陶瓷热障涂层活塞热负荷进行了研究。利用硬度塞测温法和有限元数值仿真方法，对所研制的纳米陶瓷热障涂层活塞热负荷进行了试验和数值仿真研究，获得了纳米陶瓷热障涂层活塞的热负荷分布规律，并与常规活塞热负荷进行了对比分析。研究结果表明：纳米陶瓷热障涂层活塞能够有效的降低铝合金活塞基体的温度，提高发动机活塞承载高温及热负荷的能力。进一步研究中，对不同厚度陶瓷面层的纳米陶瓷热障涂层活塞热负荷分布规律进行了分析，研究结果表明：随着陶瓷面层厚度的增加，铝合金活塞基体的温度不断降低，热障涂层活塞承载热负荷的能力越强；但当陶瓷面层增加到一定厚度，其降低基体温度及提高活塞热负荷承载能力的能力趋于平缓。并且，由于发动机燃料燃烧特性的要求，陶瓷面层厚度应控制在一定合理范围。　　通过本文的研究，对发动机活塞热负荷机理及研究方法进行了分析总结，并对具体机型开展了活塞热负荷研究，为发动机活塞热负荷研究提供了具体数据参考和理论依据。并且，开展了发动机等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层活塞研究，设计研制了可行性较高的发动机热障涂层活塞，为提高发动机活塞热负荷承载能力提供了新的方法途径，同时也为提高发动机其它受热零部件热负荷承载能力提供了基础数据与理论依据。