在闭式冷却系统中，水蒸气混在水中无法分离。散热器盖的阀门虽然能调节冷却系统的压力，但在调节过程中会放掉部分水蒸气，冷却时又会吸进一部分空气。冷却系中的空气、蒸汽和水一起循环，会使冷却能力下降，水泵的泵水量降低，并造成冷却系内压力不稳定和冷却水的不断消耗，也可能导致防冻液浓度升高而腐蚀发动机部件。

所以，有不少发动机的冷却系统中设有膨胀水箱，如图所示。在水套和散热器的上部，容易积存空气和蒸汽的地方用水套出气管、水箱旁通管与膨胀水箱相连，使空气和蒸汽不再放出而引导到膨胀水箱内。在这里，蒸汽会冷凝为水，后又可通过补充水管进入水箱，使水泵进水口处保持较高的水压，增大了泵水量。而积存在膨胀水箱液面以上的空气，得到了冷却，不再受热膨胀，因而变成了冷却系内压力上升的缓冲器和膨胀空间，使压力保持稳定状态。所以，膨胀箱解决了水气分离和冷却液过快消耗的问题。
膨胀箱多用透明材料制成，位置略高于散热器水平面。这样可以不打开散热器盖检查液面。也可用金属材料制成，位置略高于散热器水平面。有的冷却系将散热器排汽管，连通到膨胀水箱的底部，管子插入水中，以便蒸汽冷凝后再吸回散热器。

离心式水泵上的泄水孔位于水封与轴承之间。当水封损坏时，泄漏出的水经此流出泵体外，防止了水向轴承部位流入。

四冲程直列六缸发动机工作循环表（工作顺序1-5-3-6-2-4）