水冷却方式是用水作为冷却介质，将内燃机受热零件的热量传递出去。这种冷却方式具有冷却比较均匀、可使内燃机稳定在最有利的水温下工作、运转时噪声小等优点，所以目前绝大多数内燃机采用的是水冷式冷却系统。根据冷却水在内燃机中进行循环的方法不同，可分为自然循环冷却和强制循环冷却两类。

自然循环冷却是利用水的密度随温度变化的特性，以产生自然对流，使冷却水在冷却系统中循环流动。其优点是结构简单，维护方便；缺点是水循环缓慢，冷却不均匀，内燃机下部水温低，上部水温高，局部地方由于冷却水循环强度不够而可能产生过热现象。并且自然循环冷却系统要求水箱容量较大，故只在小型内燃机上采用。自然循环冷却可分为蒸发式、冷凝器式和热流式三种。

强制循环冷却是利用水泵使水在内燃机中循环流动。强制循环冷却系统可分为开式和闭式两种。在开式强制循环冷却系统中，冷却介质直接与大气相通，冷却系统内的蒸汽压力总保持为外界大气压，其消耗水量比较多。而在闭式强制循环冷却系统中，水箱盖上安装了一个空气一蒸汽阀，冷却介质与外界大气不直接相通，水在密闭系统内循环，冷却系统的蒸汽压力稍高于大气压力，水的沸点可以提高到100℃以上。其优点是可提高内燃机的进、出水口水温，使冷却水温差小，能稳定内燃机工作温度和提高其经济性；与此同时，还能提高散热器的平均温度，从而缩小散热面积，减少水的消耗量，并可缩短机油预热时间。其缺点是冷却系统零部件的耐压要求较高。这种冷却方式目前应用最为广泛。

柴油发动机的汽缸体和汽缸盖中都铸造有水套。冷却液经水泵加压后，经分水管进入机体水套内，冷却液在流动的同时吸收汽缸壁的热量并使自身的温度升高，然后流入汽缸盖水套，在此吸热升温后经节温器及散热器进水管进人散热器中。与此同时，由于风扇的旋转抽吸，气从散热器芯吹过，流经散热器芯的冷却液热量不断地散发到大气中去，使水温降低。冷却的水流到散热器底部后，又经水泵加压后再一次流入缸体水套中，如此不断地循环，柴油机就不断地得到冷却。当水温高于节温器的开启温度时，回水进人散热水箱进行冷却，完成水循环，这种循环通常称为大循环；当水温低于节温器开启温度时，回水便直接流入水泵进行循环，这种循环通常称为小循环。

柴油发动机转速升高，水泵和风扇的转速也随之升高，则冷却液的循环加快，扇风量加大，散热能力就增强。为了使多缸机前后各缸冷却均匀，一般柴油机在缸体水套中设置有分水管或铸出配水室。分水管是一根金属管，沿纵向开有若干个出水孔，离水泵愈远处，出水孔愈大，这样就可以使前后各缸的冷却强度相近，整机冷却均匀。

水冷系统还设置有水温传感器和水温表。水温传感器一般安装在汽缸盖出水管处，将出水管处的水温传给水温表。操作人员可借助水温表随时了解冷却系统的工作情况。