為瞭避免發動機過熱，燃燒室周圍的零部件（缸套、缸蓋、氣門等）必須進行適當的冷卻。內燃機的冷卻裝置有三種形式，水冷卻、油冷卻和空氣冷卻。汽車發動機冷卻裝置以水冷卻為主，用氣缸水道內的循環水冷卻，把水道內受熱的水引入散熱器（水箱），通過風冷卻後再返回到水道內。
為瞭保證冷卻效果，汽車冷卻系統一般由散熱器（1）、節溫器（2）、水泵（3）、缸體水道（4）、缸蓋水道（5）、風扇等組成。以轎車為例，散熱器負責循環水的冷卻，它的水管和散熱片多用鋁材制成，鋁制水管做成扁平形狀，散熱片帶波紋狀，註重散熱性能，安裝方向垂直於空氣流動的方向，盡量做到風阻要小，冷卻效率要高。
散熱器裡面的冷卻水不是單純的水，而是由水（符合飲用水質量）、防凍液（通常為乙二醇）和各種專門用途的防腐劑組成的混合物，也稱為冷卻液。這些冷卻液中的防凍液含量占30%～50%，提高瞭液體的沸點，在一定工作壓力之下，轎車冷卻液的允許工作溫度可達攝氏120度，超過瞭水的沸點且不容易蒸發。
發動機是由冷卻液的循環來實現的，強制冷卻液循環的部件是水泵，它由曲軸皮帶帶動，水泵葉輪推動冷卻液在整個系統內循環。這些冷卻液對發動機的冷卻，要根據發動機的工作情況而隨時調節。當發動機溫度低的時候，冷卻液就在發動機本身內部做小循環，當發動機溫度高的時候，冷卻液就在發動機—散熱器之間做大循環。實現冷卻液做不同循環的控制部件是節溫器。節溫器實際上是一個閥門，其原理是利用可隨溫度伸縮的材料，例如石蠟或乙醚之類的材料做開關閥門，當水溫高時材料膨脹頂開閥門，冷卻液進行大循環，當水溫低時材料收縮關閉閥門，冷卻液小循環。
為瞭提高散熱器的冷卻能力，在散熱器後面安裝風扇強制通風。以前的轎車散熱器風扇是由曲軸皮帶直接帶動的，發動機啟動它就要轉，不能視發動機溫度變化而變化，為瞭調節散熱器的冷卻力，要在散熱器上裝上活動百頁窗以控制風力進入。現代轎車已經普遍使用風扇電磁離合器或者電子風扇，當水溫比較低時離合器與轉軸分離，風扇不動，當水溫比較高時由溫度傳感器接通電源，使離合器與轉軸接合，風扇轉動。同樣，電子風扇由電動機直接帶動，由溫度傳感器控制電動機運轉。這兩種形式的散熱器電扇運轉實際上都由溫度傳感器控制。
散熱器兼作儲水及散熱作用，如果單純依賴散熱器，有三個缺點，一是水泵吸水一側因壓力低而容易沸騰，葉輪容易穴蝕；二是氣水分離不好容易氣阻；三是溫度高冷卻液容易沸騰逸走。因此設計師就加裝瞭膨脹水箱，它的上下兩根水管分別與散熱器上部和水泵進水口聯接，防止上述問題的產生。
現在轎車的冷卻系統比過去復雜瞭，主要是增加瞭溫度控制元件，散熱器風扇可隨發動機溫度變化而“隨機應變”，冷卻系統普遍采用冷卻液。當然，發動機的熱也是燃料所產生的能量，將其冷卻實際上是一種不得已的浪費。因此人們正研究一種無需冷卻的陶瓷材料做成的隔熱發動機，將來一旦實現，發動機將會又小又簡單
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