随着人们环境保护意识的不断增强以及排放法规的日益严格，要求发动机不仅要有良好的动力性、经济性，还要有较低的有害物排放。天然气作为代用燃料，由于其储量丰富、自身燃烧完全、排放较低等优点，在发动机中得到了广泛应用。而天然气发动机的热负荷相对较大，严重影响其工作可靠性，并限制了其强化潜力。在发动机的传热过程中，活塞组件的传热量占到发动机总热量的30%～40%，承受巨大的热应力。而活塞的热应力主要取决于活塞温度和温度梯度分布，为提高发动机的工作可靠性和强化潜力，对活塞温度场进行研究是十分必要的。本文以车用天然气发动机为研究对象，在前人研究的基础上，根据其具体结构，设计了活塞温度存储测试系统，对其进行了可靠性试验和误差标定，并设计了使用传统硬度塞法的对比试验。同时，为解决经验边界条件难以精确描述活塞传热过程的问题，建立了包括缸内过程、零件固体导热、冷却水流动换热在内的活塞温度场多场耦合仿真模型，并结合仿真结果对该发动机活塞的温度场进行了分析。结果表明：活塞温度存储测试系统可靠性和精度满足测量的需要；该天然气发动机活塞最高温度接近其极限工作温度，温度梯度较大，第一环槽处温度超过普通润滑油胶结温度，在发动机长时间高负荷运行或频繁启动时，极易因热负荷导致故障；可通过合理组织燃烧、优化活塞结构、强化冷却液的换热等方面寻求降低该天然气发动机活塞热负荷的措施。