柴油机汽缸盖和汽缸体中都铸有冷却水套。冷却液经水泵加压以后,经分水管进入气缸水套内,冷却液在流动的同时吸收气缸壁的热量,温度升高,然后流入气缸盖水套,经节温器及散热器进入水管进入散热器,与此同时,由于风扇的旋转抽吸,空气从散热器芯吹过,使流经散热器芯的冷却液的热量不断散到大气中去,温度降低。最后又经水泵加压后再一次流入缸水套,如此不断循环,柴油机转速升高。为了使多缸柴油机前后各缸冷却均匀,一般柴油机在缸体水太重设置有分水管或铸出配水室。分水管是一根金属管,沿纵向热感出水孔,离水泵越大,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,水温传感器安装在汽缸盖出水管处,将出水管的水温传给水温表。操作人员可借助水温表随时了解冷却系统的工作情况,正常工作水温一般在80-90℃。冷却液与防冷液,柴油机使用的冷却液应该是清洁的软水,如果使用硬水,其中的矿物质在高温时沉析出来,附着在管道、水套和散热器芯中生成水垢,降低了散热能力,易使柴油机过热,还会是散热器芯毒死,加速水泵叶轮和泵壳的磨损。对含矿物质较多的硬水,则需经过软化处理后,方可加入冷却系统使用,硬水软化常用的方法是:在1L水中加入碳酸钠0.5-1.5g,或加入氢氧化钠0.5-0.8g,待生成的杂质沉淀后,取上面的清洁水注入冷却系统中。