發(fā)動機的水冷系統(tǒng)也是一個散熱循環(huán)的過程，不過需要組合的零件就比風冷系統(tǒng)復雜的多了，包括水箱（散熱器）、風扇、水泵、節(jié)溫器、副水箱、水管、汽缸水套。首先，由引擎的正時皮帶來帶動水泵運轉，將冷卻水送往發(fā)動機缸體后，就開始在汽缸周圍的水套（即鑄造而成的流水通道）里流動。接著，吸收發(fā)動機熱能后的冷卻水上升到汽缸蓋的水套，透過節(jié)溫器的開啟返回水箱進行降溫，最后回流到水泵，整個散熱循環(huán)過程就算完成。

在散熱過里的節(jié)溫器，就是調(diào)節(jié)水溫的零件，引擎能不能維持正常的工作溫度都要靠它。那什么是工作溫度？簡單來說就是引擎發(fā)揮最佳燃燒效率時需要的溫度，就好像電腦過熱就會死機，需要被控制在最佳溫度的一樣道理，但這個工作溫度會因不同車輛的設計而有所不同，比如說日系車控制在90℃左右，而歐美車則控制在100℃上下。

因此發(fā)動機剛開始工作時，節(jié)溫器就像一個閥門，阻擋冷卻水回流到水箱，讓冷卻水在發(fā)動機缸體內(nèi)循環(huán)以快速達到工作溫度，目的是縮短熱車的時間和防止發(fā)動機過冷而耗掉更多的燃料。當冷卻水升溫到80℃后，節(jié)溫器內(nèi)的彈簧彈力逐漸放松，閥門就被打開，讓水套里的熱水流向水箱，這時水箱風扇自動開啟將熱水快速散熱（行駛中的氣流也能幫助散熱），待水回流到水箱后再被水泵送回發(fā)動機。這樣的水冷循環(huán)效率很穩(wěn)定，適合大壓縮比且輸出動力大的多缸發(fā)動機，不過多少會消耗掉一些發(fā)動機的動力。

控制發(fā)動機的水溫不能只靠節(jié)溫器。雖然節(jié)溫器能放掉高溫狀態(tài)的冷卻水來防止發(fā)動機過熱，但經(jīng)過一段時間的循環(huán)，發(fā)動機缸體內(nèi)的水會跟水箱水的溫度近乎相同，加上工作中的發(fā)動機溫度一直上升，冷卻水就不能有效的降溫，因此需要水箱風扇來幫助水箱散熱。

事實上，水箱不是一個儲水的裝置，它只是類似蜂窩造型的散熱零件，里面布滿多層的隔板薄片（散熱芯片），當熱水在通道里往下流動時，空氣經(jīng)過這些薄片能帶走水的熱能，理論上薄片面積越大，散熱效率越高，但發(fā)動機室空間有限，水箱的設計尺寸不能太大的情況下，水箱中裝置的兩個風扇能在極短時間內(nèi)讓冷卻水降溫7-10℃，這樣水泵送回發(fā)動機水套的冷卻水能夠繼續(xù)吸收熱能。

至于風扇會根據(jù)水溫而開啟，像感應器測得水溫超過90℃時就會啟動風扇，待降溫10℃左右后就不讓風扇的馬達通電，這樣能減少消耗發(fā)動機動力，而且剛熄火的發(fā)動機仍處于高溫，電子風扇能持續(xù)運轉降溫，直到冷卻水低于設定的低溫為止。

事實上，水冷系統(tǒng)是密閉的回路，當高溫的冷卻水流過水箱時的壓力很大，如果沒有適當?shù)男沟舾邏海芎芸赡軙冃紊踔帘?，這時候就要額外設置空間來容納熱脹冷縮的冷卻水，也就是副水箱。當水溫過高，副水箱就接收體積膨脹而多出來的水，待水溫較低時，還可以供應體積縮小后水箱需要的水量。這樣的調(diào)節(jié)功能是透過水箱蓋里的雙向閥門涉及，管路的高水壓會推開向外的閥門并流向副水箱，當水壓變低時，水箱管路內(nèi)的低壓會吸開向內(nèi)的閥門，讓冷卻水流回水箱，管路的壓力就能控制在設定的數(shù)值范圍內(nèi)。