随着2019年7月1日载重车用天然气发动机国家第Ⅵ阶段排放标准正式施行,发动机开发企业选择当量燃烧+三元催化器路线加以应对。相比于国V阶段稀薄燃烧,当量燃烧造成缸内燃气温度升高,燃气压力增大,爆震倾向增大,活塞等缸内零部件需要作出全新结构的优化改进。在此形势下,天然气发动机用钢活塞应运而生。与原天然气发动机铝活塞相比,钢活塞需要全新的材料与结构选型。为了兼顾高性能、低成本和易加工的原则,最终选择38MnVS6钢材料,通过激光焊接方式最终成型活塞成品。根据发动机性能参数要求,结合原有天然气发动机铝活塞以及柴油机钢活塞设计经验,对新型天然气钢活塞进行了针对性设计。对活塞结构、裙部尺寸、销孔销座和环槽环岸等各部位方案均进行了探索与选择,最终完成了活塞初步设计方案。根据有限元计算分析方法,将制成的活塞组件模型导入有限元分析软件,分别预测量了活塞温度场分布,热应力与热机耦合应力分布,裙部与销孔接触应力分布,活塞头部以及环槽环岸变形量,各部位疲劳安全系数等。对比分析了不同销孔型线对销孔接触应力影响的差异。利用活塞动力学分析软件,进行了活塞裙部累计磨损量的预测。在活塞制造过程中,在成功应用激光焊接成型技术,形成无焊缝飞边的新型冷却油道钢活塞。采用亚微米加工技术提高销孔加工质量,降低了活塞销孔部位粗糙度。细化活塞磷化层晶粒,采用新研发的新型耐磨石墨材料涂层,最终活塞设计要求的活塞样件。经过激光焊接强度验证试验与温度塞试验,证实活塞设计满足发动机台架试验前准备。通过性能试验,拉缸试验,销孔咬合试验与耐久试验等装机台架试验,对耐久试验后的活塞样件进行了全方面的检测,特别针对销孔、裙部、环槽部位的磨损进行了检测,对试验后冷却油道内积碳厚度与积碳的化学成分进行了检测,得出机油内Cu含量影响活塞积碳效果的试验结论。通过20万公里整车装机道路测试。经过对试验后活塞样件的检测与评审,认定活塞设计方案满足发动机性能要求,活塞方案符合批量生产条件。