引擎的水冷卻系統也是一個散熱循環的過程，不過需要組合的零件就比冷暖氣系統複雜多了，包括水箱（散熱器）、風扇、水泵、節溫器（水龜）、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，將冷卻水送往引擎缸體後，就開始在汽缸周圍的水套（即鑄造而成的流水通道）裡流動。接著，吸收引擎熱能後的冷卻水上升到汽缸蓋的水套，透過節溫器的開啟返回水箱進行降溫，最後回流到水泵，整個散熱循環過程就算完成。
▲冷卻系統的循環過程：水泵→引擎缸體→節溫器→水箱（風扇定時散熱）→副水箱→水泵。其中部分的熱水會被送到暖風箱當暖氣使用。
在散熱循環過程裡的「節溫器」，就是調節水溫的零件，引擎能不能維持正常的工作溫度都要靠它。那什麼是「工作溫度」？簡單來說就是引擎發揮最佳燃燒效率時需要的溫度，就好像電腦過熱就會當機，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廠的設計而有所不同，比如說日系車控制在90℃左右，而歐美車則控制在100℃上下。
▲水冷式引擎的缸體在鑄造時會鑄有水套（在氣缸周圍的洞口），而氣缸蓋則在燃燒室周圍，利用冷卻液的循環帶走熱能。
因此引擎剛開啟時，節溫器就像一個閥門，阻擋冷卻水回流到水箱，讓冷卻水在引擎缸體作內循環以快速達到工作溫度，目的是縮短熱車的時間和防止引擎過冷而耗掉更多的燃料。當冷卻水升溫到80℃後，節溫器內的彈簧彈力逐漸放鬆，閥門就被打開，讓水套裡的熱水流向水箱，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），待水回流到下水箱後再被水泵送回引擎。這樣的水冷卻循環效率很穩定，適合大壓縮比且輸出動力大的多缸引擎，不過多少會消耗掉一些引擎的動力。
▲節溫器就像閥門，在熱車時阻擋引擎水套裡的水回流到水箱以進行內循環來快速升溫，防止引擎過冷，達到工作溫度後閥門開始往下壓，熱水往上流到水箱。
控制引擎的水溫
不能只靠節溫器
雖然節溫器能放掉高溫壓的冷卻水來防止引擎過熱，但經過一段時間的循環，引擎缸體內的水會跟水箱水的溫度近乎相同，加上工作中的引擎溫度一直上升，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。
▲水箱不是儲水裝置，它只是將被引擎加熱過的冷卻水引到這裡散熱，水溫超過90°C時風扇會強制降溫10°C左右，當然還得外加機油的冷卻才能維持引擎的最佳燃燒效率。
事實上，水箱不是一個儲水的裝置，它只是類似蜂巢造型的散熱零件，裡面佈滿多層的隔板薄片（散熱芯片），當熱水在通道裡往下流時，空氣經過這些薄片能帶走水的熱能，理論上薄片面積愈大，散熱效率愈好，但引擎室空間有限，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讓冷卻水降溫7-10℃，這樣水泵送回引擎水套的冷卻水能夠繼續吸收熱能。
▲水箱上面的壓力蓋除了可以提高冷卻水的沸點以外，也透過壓力差把膨脹過度的熱水引到副水箱貯存，防止水箱和水管破裂，知道為什麼引擎發動時水箱蓋不能打開了吧？
至於風扇會根據水溫而開啟，像感應器測得水溫超過90℃時就會啟動風扇，待降溫10℃左右後就不讓風扇的馬達通電（作動時機精準到1℃的範圍），能減少消耗引擎動力，而且剛熄火的引擎仍處於高溫，電子風扇能持續運轉降溫直到冷卻水低於設定的低溫度為止。
▲副水箱的冷卻水只是用來供應水量不足的主水箱，尤其回到25°C的室溫狀態，水的體積已經縮小。
其實冷卻系統是密閉的迴路，當高溫的冷卻水流過水箱時壓力很大，如果沒有適當的洩掉高壓，水管很可能會變形甚至爆裂，這時候就要額外設置的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後水箱需要的水量。
這樣的調節功能是透過水箱蓋裡的雙向閥門設計，管路的高水壓會推開向外的閥門並流向副水箱，當水壓變低時，水箱管路內的低壓會吸開向內的閥門，讓冷卻水流回水箱，管路的壓力就能控制在設定的磅數範圍內。