为了避免发动机过热，燃室周围的零部件（缸套、缸盖、气门等）必须进行适当的冷却。内燃机的冷却装置有三种形式，水冷却、油冷却和空气冷却。汽车发动机冷却装置以水冷却为主，用气缸水道内的循环水冷却，把水道内受热的水引入散热器（水箱），通过风冷却后再返回到水道内。
水室简介 为了保冷却效果，汽车冷却系统一般由散热器（1）、节温器（2）、水泵（3）、缸体水道（4）、缸盖水道（5）、风扇等组成。以轿车为例，散热器负责循环水的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，安装方向垂直于空气流动的方向，尽做到风阻要小，冷却效率要高。
散热器里面的冷却水不是单纯的水，而是由水（饮用水）、防冻液（通常为乙二醇）和各种门用途的防腐剂组成的混合物，也称为冷却液。这些冷却液中的防冻液含占30%～50%，提高了液体的沸点，在一定工作压力之下，轿车冷却液的允许工作温度可达摄氏120度，超过了水的沸点且不容易蒸发。
发动机是由冷却液的循环来实现的，强制冷却液循环的部件是水泵，它由曲轴皮带带动，水泵叶轮推动冷却液在整个系统内循环。这些冷却液对发动机的冷却，要根据发动机的工作情况而调节。当发动机温度低的时候，冷却液在发动机本身内部做小循环，当发动机温度高的时候，冷却液在发动机—散热器之间做大循环。实现冷却液做不同循环的控制部件是节温器。节温器实际上是一个阀门，其原理是利用可随温度伸缩的材料，例如石蜡或之类的材料做开关阀门，当水温高时材料膨胀顶开阀门，冷却液进行大循环，当水温低时材料收缩关闭阀门，冷却液小循环。
为了提高散热器的冷却能力，在散热器后面安装风扇强制通风。以前的轿车散热器风扇是由曲轴皮带直接带动的，发动机启动它要转，不能视发动机温度变化而变化，为了调节散热器的冷却力，要在散热器上装上活动百页窗以控制风力进入。现代轿车已经普遍使用风扇电磁离合器或者电子风扇，当水温比较低时离合器与转轴分离，风扇不动，当水温比较高时由温度传感器接通电源，使离合器与转轴接合，风扇转动。同样，电子风扇由电动机直接带动，由温度传感器控制电动机运转。这两种形式的散热器电扇运转实际上都由温度传感器控制。
散热器兼作储水及散热作用，如果单纯依赖散热器，有三个缺点，一是水泵吸水一侧因压力低而容易沸腾，叶轮容易穴蚀；二是气水分离不好容易气阻；三是温度高冷却液容易沸腾逸走。因此设计师加装了膨胀水箱，它的上下两根水管分别与散热器上部和水泵进水口联接，防止上述问题的产生。
现在轿车的冷却系统比过去复杂了，主要是增加了温度控制元件，散热器风扇可随发动机温度变化而“随机应变”，冷却系统普遍采用冷却液。当然，发动机的热也是燃料所产生弟，将其冷却实际上是一种不得已的浪费。因此人们正研究一种无需冷却的陶瓷材料做成的隔热发动机，将来一旦实现，发动机将会又小又简单
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