この項目では、水冷方式を用いたエンジンについて説明しています。冷却方法一般については「水冷」をご覧ください。

「空冷エンジン」あるいは「油冷エンジン」とは異なります。

水冷エンジン（すいれいエンジン）とは、液冷エンジンのうち水を主成分とする液体を冷媒として冷却を行うものを指す。水は空気よりも比熱が大きいため空冷エンジンより効率よく冷却を行えるが、冷媒の循環装置を備えるため構造の複雑化とそれによる信頼性低下・価格増・重量増などのデメリットをもつ。
解説

燃焼室周囲、すなわちレシプロエンジンの場合はシリンダーブロック、ロータリーエンジンの場合はローターハウジングに、ウォータージャケット（英語版）と呼ばれる空間を設けて冷却水を通し、燃焼によって発生した熱を奪い過熱を防いでいる。冷却水の経路は、外界と接続せず循環するものと外界に通じ一方通行のものがある。前者の場合、ウォータージャケットで温まった冷却水はラジエーターで外部に熱を放出し、再びウォータージャケットに送られ熱を奪う。後者の場合、エンジンが利用される場所の周囲にある水を吸い上げて冷却に用い、温まった水は放出される。自動車や航空機は前者が多く、船舶ではどちらも用いられる。

機関の運転に最適な温度に保つため、一般的に冷却水の循環経路にサーモスタット弁を設け、水温に応じてラジエーターに向かう（またはラジエーターから戻る）水量を調節している。より効率的にエンジンの冷却を行うため、冷却水は100℃では沸騰しないように加圧されている。また冷却水が凍結すると膨張して配管や部品を破壊する可能性があるため、添加剤が加えられた不凍液とされることが多い。不凍液のうち1年以上の長期間（通年）に渡って利用できるものはロングライフクーラント（LLC）と呼ばれる。

空気よりも比熱（熱容量）が大きい水を利用することで空冷エンジンよりも安定した冷却能力を持ち、冷却水が隔壁となる為にエンジン騒音が外部に響きにくい利点も持つが、冷却水を循環する配管が必要になるため部品点数が増えたり、複雑な構造の部品が必要となったりする。また、冷却水の漏出や減少による故障のリスクを伴う。

通常ウォータージャケットはエンジン製造時に形成されるが、空冷で設計されたエンジンを水冷エンジンに転換する場合は、シリンダーヘッドやシリンダーバレルをウォータージャケットを備えたものに片方[注釈 1][1][2]または両方[注釈 2][3][4]を交換したり、クランクケースを含めたシリンダーブロックを新規に設計し直す事が一般的であるが、DIYレベルで製作される空冷転換水冷エンジン[注釈 3]では、空冷エンジンの放熱フィン付きシリンダーの外部から金属板を巻き付けて溶接することでウォータージャケットを形成する例もみられる[5][6]。
歴史詳細は「内燃機関の冷却方式（英語版）」および「内燃機関の歴史（英語版）」を参照ニューコメンの蒸気機関

熱機関の全体まで視野を広げれば水冷の歴史は古く、「ニューコメンの蒸気機関」の名がある18世紀の大気圧機関において、冷却して水蒸気を凝縮液化し低圧状態を作って大気圧にピストンを押させるために、冷水をその大きなシリンダー内に注水していた。もっとも、後の内燃機関の冷却は熱機関として仕事をするための冷却ではないため、理論的には位置付けが異なったものと言えなくもない。1917年式フォード・モデルTの水冷機構概念図。ウォーターポンプを持たないサーモサイフォン構造である。

空冷エンジンは簡易だが、条件によっては冷却効率が悪く温度管理も難しいため、内燃機関の発達につれて比熱の大きい水を冷却媒体とする手法が考案された。当初の水冷エンジンでは冷却水はエンジンの上に設置された大きな開放水槽に満たされており、その循環は対流に任せるのみ（サーモサイフォン（英語版）方式）で、冷却水は蒸発して減っていくためその分新しい水を足す構造だった。こうした方式は定置動力用や農業用の小型エンジンなどでは1960年代まで用いられていた。

一方、1890年代ごろから生産されるようになったガソリンエンジンを搭載した自動車では予備水を搭載し常に補水の必要がある開放水槽式は実用的ではなかったことから、より熱交換性に優れたラジエーターを利用して冷却水を循環再使用する方式が考案された。1890年代後半には、冷却フィン（ひれ）を設けたパイプをくねらせた原始的なラジエーターが水冷エンジン自動車に装備されるようになった。1894年式H&W・モトラッド。後輪のフェンダーが水タンクを兼ねる構造である。

ただし、オートバイの水冷エンジンではラジエーター登場後も水槽冷却が比較的長い時期使われ続け、開放水槽の代わりに密閉された水槽を用いたものもあった。1887年のイギリス人発明家エドワード・バトラー（英語版）による三輪オートバイや1892年のドイツのヒルデブラント&ヴォルフミュラー（英語版）による世界初の市販オートバイのH&W・モトラッド[7]、1926年から1940年に掛けて製造されたスコット・モーターサイクル（英語版）のスコット・フライング・スクァーレル（英語版）などが採用していた。日本では1962年に生産中止になった井関農機（生産は川崎明発工業(メイハツ)に委託）のヰセキ・タフ50がこの種の水冷システムを採用したオートバイエンジンとしては最後である[8]。サーモサイフォン方式のオートバイ用エンジンは空冷エンジンに比較して製造コストが高価であり、スコット・フライング・スクァーレルを例に取れば同時期の空冷エンジンのロードスポーツと比較して2倍以上の価格差があった[9]。メルセデス・ベンツ・ミュージアム（英語版）所蔵のメルセデス・35hpのエンジンルームハニカム・ラジエーターのチューブ(水管)。六角形の穴が空気流路で、管の隙間を冷却水が通り熱交換される。

1897年、カール・ベンツとヴィルヘルム・マイバッハはハニカム構造のラジエーター（英語版）を発明、1901年のドイツ ダイムラー・モトーレン（英語版）(現：ダイムラー)が開発した乗用車メルセデス・35hp（英語版）[10]に採用された。これは細い空気流路で形成された冷却コアを密集させて広い表面積を確保し、高い冷却効率を得るものであった。エンジン動力の一部を利用して冷却ファンを駆動し、ラジエーターの放熱を促進する構造も同時期に普及した。大型エンジンでも効率よく冷却できることから、20世紀初頭には水冷エンジンは自動車や船舶、定置動力用機関に用いられるようになった。一方航空機のレシプロエンジンでは、空冷エンジンに比べると構造が複雑で重いことから水冷エンジンが一般化するのはほかの用途よりも遅かった。航空機の分野においてはハニカム・ラジエーターの空気抵抗が速度を低下させる要因となったことも課題となったため、第一次世界大戦期には胴体や主翼の表面に冷却水を通して機体表面の空気の流れで冷却を図る表面冷却型ラジエーターも開発された。自動車用加圧式水冷システムのラジエーターキャップの一例。蓋の裏側に2個のバルブが付いており、一つは負圧の発生の防止、もう一つが最大圧力の制御を行う。

1913年、冷却水の減少の解決のため、ラジエーターに蒸気の噴出口を設けその配管を予備水のタンクに接続する事で、沸騰の都度新たな冷却水を水冷システム内に吸い込ませる、今日のリザーバータンクの概念とほぼ同じ構造が発明された[11]。その後1930年に、パワーボート用エンジンやモータースポーツ用直列8気筒の開発で名高かったデューセンバーグ兄弟により、沸騰の際に生じた圧力をそのまま水冷システム内に一定圧で保持し続け、水の沸点を高めて熱交換効率を向上させる加圧式水冷システムが考案された[12]。デューセンバーグ兄弟の加圧式水冷システムはリザーバータンクに圧力弁を設ける仕組みであったが、1937年にはゼネラルモーターズによりラジエーターキャップ自体を圧力弁とした、今日とほぼ同じ加圧ラジエーター構造が考案され、加圧式水冷システムがほぼ完成されたものとなった[13]。水冷エンジンのラジエーターに注がれるロングライフクーラント(LLC)。LLCには様々な着色がされるが、世界的には澄んだ緑色のLLCが使用される事が多い。

黎明期の水冷エンジンには冷媒に真水が使われていたが、厳寒地では凍結に伴う膨張作用で冷却システムの配管、最悪の場合にはシリンダーヘッドやシリンダーブロックなどエンジン本体すらも破壊しかねない問題を抱えていた。