Przenikanie strumienia ciepła od ładunku w silniku spalinowym do cieczy chłodzącej spowodowane jest głównie różnicą temperatur między ścianką cylindra a cieczą chłodzącą. Zmniejszenie tej różnicy może znacznie zredukować strumień ciepła oddawanego przez tłokowy silnik spalinowy do cieczy chłodzącej, co będzie skutkowało wzrostem sprawności ogólnej silnika. Zwiększenie temperatury cieczy chłodzącej do wartości ponad 90°C prowadzi do zmniejszenia lepkości dynamicznej oleju, a w konsekwencji do ograniczenia strat tarcia mechanizmu głównego silnika, w tym pierścieni tłokowych.

Tłoki i pierścienie Kawasaki – widok powierzchni bocznej tłoka ZX-10R 2007.

Takie modyfikacje parametrów pracy układu chłodzenia ściśle związane są z koniecznością zastosowania specjalnych zabiegów konstrukcyjnych zapewniających płynne tarcie między pierścieniami tłokowymi a gładzią cylindra w całym cyklu pracy silnika dla różnych parametrów użytkowych – w szczególności zróżnicowanego obciążenia i prędkości obrotowej silnika. Aby zmniejszyć różnicę temperatur między ściankami cylindra a cieczą chłodzącą, należy podnieść znacznie temperaturę cieczy do największej możliwej do zrealizowania wartości definiowanej wytrzymałością i przewodnością cieplną materiału bazowego i warstw wierzchnich powłok izolacyjno-ochronnych ścianek cylindra, tłoka, sworznia tłokowego i pierścieni tłokowych. Takie zmiany są bezpośrednio związane ze zmniejszeniem intensywności odprowadzania ciepła z podzespołów mechanizmu głównego silnika i z koniecznością wprowadzenia specjalnych systemów zarządzania przepływem cieczy w układzie chłodzenia silnika.

Blok silnika, cylindry Suzuki GSX-R 750 K5 2005.

Jednym ze sposobów zmniejszania strat ciepła jest wprowadzenie specjalnych powłok ceramicznych oraz stosowanie dodatkowych kanałów chłodzących w kadłubie, głowicy i tłoku, zabezpieczających części silnika przed wysoką temperaturą. Umożliwia to znaczne zmniejszenie ilości ciepła odprowadzanego przez układ chłodzenia silnika.

Najbardziej obciążonymi cieplnie podzespołami silnika są między innymi: tłok, sworzeń tłokowy, pierścienie tłokowe (przede wszystkim górny pierścień uszczelniający) oraz tuleje cylindrów. Szczególnie istotne dla prawidłowej oceny szybkości rozprzestrzeniania się ciepła i kanałów jego transmisji z tych obszarów jest uwzględnienie takich danych jak: wymiary geometryczne zestawienia T-P-C, rodzaj zastosowanych materiałów na poszczególne elementy mechanizmu głównego silnika, występowanie, przylegalność i rodzaj powłok przeciwzużyciowych, jakość i lepkość dynamiczna zastosowanego oleju smarującego, gęstość i temperatura wrzenia cieczy chłodzącej, wydajność układu chłodzenia oraz konstrukcja kanałów przepływowych cieczy i oleju przez kadłub i głowicę silnika.

W odniesieniu do rozkładu filmu olejowego oraz przepływu mieszaniny gazów przez płaszczyzny przepływowe tego złożenia nawet najdrobniejsza zmiana geometrii tych podzespołów na poziomie 1 µm bardzo istotnie wpływa na parametry końcowe filmu olejowego i straty tarcia wywołane oporem ruchu pierścieni tłokowych. Temperatura tłoka w dużym stopniu zależy od wartości maksymalnej temperatury czynnika roboczego i okresów jej występowania w komorze roboczej silnika oraz rozkładu pokrycia filmem olejowym powierzchni bocznej tłoka. Zaś temperatura pierścieni tłokowych może osiągnąć największe wartości w okresie docierania ich powierzchni roboczych oraz w przypadku utraty szczelności przy przedmuchach mieszaniny gazów do skrzyni korbowej przez przestrzeń nośną oleju w obrębie powierzchni ślizgowych.

W procesie spalania temperatura czynnika roboczego może lokalnie osiągnąć wartość ponad 2000°C w zależności od konstrukcji układu zasilania silnika i konstrukcji geometrycznej komory spalania. Efektem oddziaływania temperatury czynnika roboczego jest wymiana przez przejmowanie.

Przyjmuje się, że ponad 80% ciepła doprowadzonego do denka tłoka z czynnika roboczego jest przesyłane na skutek konwekcji i przewodzenia do ścianek cylindra przez powierzchnię roboczą pierścieni tłokowych i powierzchnię boczną tłoka. Największa ilość ciepła jest odprowadzana przez górny pierścień uszczelniający i to on podlega szczególnym zabiegom konstrukcyjnym z uwagi na zachowanie odpowiednich warunków smarowania przy równoczesnym dążeniu do zmniejszania strat tarcia. Jego wysoka temperatura powierzchni roboczych zależy od ciśnienia czynnika roboczego i średniej wartości czynnika roboczego. Parametry czynnika roboczego są zmienne i zależą od przebiegu procesu spalania, szczególnie od współczynnika nadmiaru powietrza, wartości ciśnienia sprężania i geometrii komory spalania.

Wartość i rozkład współczynnika przejmowania ciepła przez styk powierzchniowy zależą od parametrów pracy złożeń kinematycznych mechanizmów głównych silnika i parametrów zastosowanych cieczy eksploatacyjnych. Można je określić dla różnych konstrukcji tłokowego silnika spalinowego na podstawie znajomości: właściwości materiałów, z których są wykonane współpracujące ze sobą podzespoły, chropowatości powierzchni determinowanej rodzajem zastosowanego materiału bazowego, powłok przeciwzużyciowych i izolacyjnych, technologii obróbki i warunków docierania wstępnego tych powierzchni, rozkładu nacisków jednostkowych powierzchni ślizgowych pierścieni tłokowych i powierzchni bocznej tłoka na gładź cylindra oraz lepkości dynamicznej oleju wypełniającego mikronierówności współpracujących ze sobą powierzchni. Pozostała część strumienia ciepła jest oddawana do oleju i powietrza – mgły olejowej – przedmuchiwanego do skrzyni korbowej i chłodzącego wewnętrzną przestrzeń denka tłoka. Wartość tego współczynnika w dużym stopniu zależy także od lepkości dynamicznej oleju smarującego.