柴油機汽缸蓋和汽缸體中都鑄有冷卻水套。冷卻液經水泵加壓以后，經分水管進入氣缸水套內，冷卻液在流動的同時吸收氣缸壁的熱量，溫度升高，然后流入氣缸蓋水套，經節溫器及散熱器進入水管進入散熱器，與此同時，由于風扇的旋轉抽吸，空氣從散熱器芯吹過，使流經散熱器芯的冷卻液的熱量不斷散到大氣中去，溫度降低。

最后又經水泵加壓后再一次流入缸水套，如此不斷循環，柴油機轉速升高。為了使多缸柴油機前后各缸冷卻均勻，一般柴油機在缸體設置有分水管或鑄出配水室。分水管是一根金屬管，沿縱向熱感出水孔，離水泵越大，這樣就可以使前后各缸的冷卻強度相近，整機冷卻均勻。

水冷系統還設置有水溫傳感器和水溫表，水溫傳感器安裝在汽缸蓋出水管處，將出水管的水溫傳給水溫表。操作人員可借助水溫表隨時了解冷卻系統的工作情況，正常工作水溫一般在80-90℃。

柴油機使用的冷卻液應該是清潔的軟水，如果使用硬水，其中的礦物質在高溫時沉析出來，附著在管道、水套和散熱器芯中生成水垢，降低了散熱能力，易使柴油機過熱，還會堵塞散熱器芯，加速水泵葉輪和泵殼的磨損。

對含礦物質較多的硬水，則需經過軟化處理后，方可加入冷卻系統使用，硬水軟化常用的方法是：在1L水中加入碳酸鈉0.5-1.5g，或加入氫氧化鈉0.5-0.8g，待生成的雜質沉淀后，取上面的清潔水注入冷卻系統中。

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