平原地区正常工作的柴油机在高海拔地区经常出现活塞烧蚀故障。活塞作为柴油机的核心零件之一,不仅首当其冲地受到缸内高温高压燃气的直接冲击,还受到到缸内爆发压力和侧推力等产生的复杂机械载荷的作用,是柴油机在高海拔地区工作时最容易发生失效的零件。因此,研究活塞温度、热负荷及应力变形等随海拔高度的变化,探索活塞在哪些海拔高度工作时热负荷问题更加突出,对于高原工作的柴油机活塞的设计、改进和热负荷的控制具有十分重要的意义。本文利用自行研制的存储式活塞稳态温度测试系统,制定了活塞稳态温度测量试验方案,在可模拟变海拔高度大气条件的试验台架上对不同海拔高度(0m~4500m)下的活塞稳态温度进行了测量,获取活塞稳态温度随海拔高度的变化规律。为获得更加全面的活塞温度场分布,建立了缸内过程和活塞固体传热的活塞温度场多场顺序耦合仿真模型,并以试验测量的测点温度值作标定,提高计算精度。为了分析不同海拔高度下的柴油机缸内传热性能对活塞热负荷的影响,进行了柴油机工作过程计算,这也为活塞温度场顺序耦合计算提供缸内三维燃烧的进排气口边界条件。最后,采用有限元分析软件计算了活塞热应力及热机耦合应力应变随海拔高度的变化,分析海拔高度对柴油机活塞热负荷及应变的影响。研究结果表明:从0m至4500m,随着海拔高度的增加,活塞稳态温度值逐渐增加。在4个转速下,工况一定(100%负荷)时,活塞稳态温度与海拔高度大体上呈正相关的关系。活塞的最大热应力随海拔升高逐渐增加。活塞热机耦合应力较大的部位集中在活塞环槽、活塞顶面喉口处和销座内侧位置。活塞变形量由热负荷引起的热变形为主导。在2200 r/min、3000 m时处于活塞排气侧顶面的测点3达到最高温度292℃,接近稳态温度可靠工作值,需要进行热负荷控制。在设计时为保证活塞的可靠性,应当特别考虑高海拔工作时活塞的冷却。