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Le circuit de refroidissement inclut toutes les zones du moteur soumises à de fortes contraintes thermiques. Le liquide de refroidissement circulant dans le circuit de refroidissement dissipe la chaleur produite au cours de la combustion et garantit un niveau de température du moteur constant. Pour maintenir sa température de fonctionnement aussi rapidement que possible suite au démarrage, les performances du circuit de refroidissement doivent demeurer aussi faibles que possible au cours de la phase de chauffage du moteur. Un circuit de refroidissement de petite taille suffit amplement dans ce but. Un circuit de refroidissement de grande taille est nécessaire une fois que la température de fonctionnement a été atteinte.
Le contrôle des deux circuits est assuré par un thermostat qui bascule entre le petit et le grand circuit à des températures allant de 80 à 90 °C. Il est important que le circuit de refroidissement soit conçu pour maintenir une température constante même en cas de fortes sollicitations et en cas de températures extrêmes.
Aujourd'hui, un mélange sophistiqué d'eau et de nombreux additifs est utilisé en tant que liquide de refroidissement. Il permet non seulement de réduire le point de congélation du liquide de refroidissement mais également d'augmenter son point d'ébullition à 120 °C. L'ajout d'inhibiteurs permet de protéger contre la corrosion les différents métaux par lequel le liquide de refroidissement passe (par exemple, les têtes de cylindre en aluminium).
