在汽车上建立发动机冷却系统的目的是要使发动机保持在适当的温度下工作。
发动机燃烧室内混合气燃烧后会产生高温高压的燃气(约为800—2000℃)。所以必须对气缸加以冷却，否则其中的运动件受热膨胀而破坏了正常间隙、机械强度降低而损坏、润滑失效而卡死。
如果冷却过度也会造成气缸充气量减少、燃烧不正常、功率下降、油耗增加及润滑不良等影响。
目前汽车发动机的冷却广泛采用水冷式。令发动机高温部件的热量通过缸套、缸盖传导给周围水套内的冷却水，然后将冷却水所吸收的热量散人外界大气中。发动机正常工作时水套内刚水温应保持在80～90℃左右。
目前汽车发动机多采用强制循环水冷系统。发动机气缸盖和气缸体中都有水套。水泵将冷却水从机外吸入加压，使冷水在水套内流动，带走邻近部件的热量。冷却水吸热后自身温度升高，进入车前端的散热器(水箱)内。由于汽车前进和风扇的抽吸，外界冷空气通过散热器，带走散热器内冷却水的热量并送入大气。当散热器中的冷却水得到冷却后，在水泵的作用下，再次进入水套。如此循环不已地冷却了发动机的高温部件。
为了保证发动机在不同负荷、转速以及在不同季节下在最适宜的温度范围内工作，有些汽车还设置了百叶窗、节温器和风扇离合器等。
散热器位于汽车前端(个别的在车尾)汽车前进时的迎风处，上下端各有一个贮水室，其间用众多细的冷却管相连。冷却管大多采用扁圆形截面。为了强化冷却效果，在冷却管外套上布置了许多金属散热片，以增加散热面积和散热器本身的刚度和强度。由冷却管和散热片组成的部件称作散热器芯。以上介绍的结构称之为管片式散热器芯。
另一种被广泛使用的是管带式散热器芯，它是由波纹状散热带和冷却管相间排列经焊接而成。在散热带上开有扰动气流的小翅，以提高散热能：力。由于这种形式的散热效果好，便于制造，质量小，故被广泛采用。缺点是结构强度不如管片式。
对散热器芯的要求是所用材料的导热性好，一般多用黄铜片制造。为了节约用铜，铝制的散热器芯大有发展前途。目前多用在高级轿车和赛车上。
冷却水的加水口位于散热器上贮水室，平时用盖紧闭，以防冷却水溢出。倘若冷却水中含水蒸气过多，压力过大，可能导致散热器发生破裂，因此必须设置排气口减压阀。由于冷却水与大气连通，故称之为开式冷却系。这种形式的缺点是冷却水会不断地蒸发，需经常检查和补充。另一种为闭式。发动机在正常热状态下，整个系统封闭与大气隔开，排气口关闭。若系统内压力过大，高于大气压力，排气口开启，与大气相通。目前闭式冷却系在排气口上广泛采用空气—蒸汽阀。
近年来，大部分汽车在冷却系里都充加防冻液，以代替冷却水。与一般加冷却水系统的不同点是：在散热器盖排气口需处接出一根橡胶或塑料管与贮液罐相通。当受热膨胀时，防冻液就进入贮液罐。温度降低时，罐内防冻液又被吸回入散热器内。由此可避免防冻液的损失，更不必经常添加。
在散热器的后方，通常有一个风扇，它与冷却液泵采用同一根驱动轴。风扇叶转动时，将汽车前方的空气吸进，令其通过散热器芯，将芯内热水的热量带走。风扇类似飞机的螺旋浆，它的叶片用薄钢板制成，也有用高强度工程塑料或铝合金铸成。叶片数4。6片。为了降低噪声和振动，叶片间夹角不等。为了提高风扇的冷却效果，有的风扇外廓加上一个护风圈。风扇一般由曲轴前输出端的皮带轮带动三角皮带来传动。三角皮带的松紧程度是可调的，太松会引起皮带打滑，扇风量减少，使发动机过热；太紧则使各轴承的磨损加剧。所以皮带的张紧力必须按制造厂的规定调好。
冷却水泵用来驱使冷却系内的冷却水加速流动，保证带出足够的发动机热量。最被广泛采用的是离心式水泵。因为它的结构简单，个头小而排水量大，即使坏了也不影响冷却水的流动。它的结构类似理发用的吹风机。水从散热器的下贮水室出来，进入水泵的旋转中心，再被转动着的叶轮甩向水泵壳四壁，最后沿切线方向从喷口喷出，进到气缸的水套里。在车辆的使用过程中，应经常检查水泵是否漏水。另外要按制造厂的规定，定期予以润滑。
汽车制造厂在设计某一具体车型的冷却系时，是根据该车在某一常用工作状况下而设计的。然而汽车的使用条件干变万化。如在夏季高温、发动机高负荷低转速的条件下，需要加强冷却，防止发动机过热；在寒冷的冬季。发动机在低负荷高转速的条件下，需要降低冷却效果。现代汽车一般都采用改变通过散热器的空气量或改变冷却水的流量来控制冷却的效果。
改变通过散热器的空气量所采取的措施最简单的要数在散热器前方加装百叶宙了。百叶窗是一扇由多个叶片构成的窗子，通常由驾车人或节温器自动控制。冷却水过冷时关闭百叶窗，反之则开启至全开。
另一种改变通过散热器的空气量的措施是变换风扇的转速。风扇本身设有离合器。冷却水温低时，离合器分离，风扇转速降低或停止。冷却水温高时，离合器接合，加速风扇的转动，强化冷却的效果。这种自动调节空气流量的装置还会带来节约燃油的好处。至于利用什么媒介令离合器忽离忽合，现在常用的有硅油、温控元件及电磁线圈等不一。
改变冷却水流量的常用办法是在水路中增加节温器。一般设在气缸盖的出水口处。当冷却水温过低时，节温器堵住冷却水不使它流入散热器，而令冷却水直接回到气缸体的水套内。冷却水温高时，节温器将回流到水套的通路关闭，让冷却水通过散热器，加强对水的冷却。节温器本身起到双通阀的作用，常用的有折叠式和蜡式。前者对压力很敏感，后者结构简单，坚固耐用，价格便宜。
为了防止在气缸水套内产生水垢，冷却液最好采用软水。如雨水、雪水或凉开水。如用硬水需予以碱化处理，否则将出现传热效果差，发动机过热的现象。
由于冷却水在寒冷气候条件很容易结冰而导致出现胀破冷却系部件的现象。为了降低冷却水的结冰温度，可以在冷却水中添加乙二醇或酒精。当然应按制造厂的规定比例来配制。防冻液内如加入少量添加剂可得到长效防冻液，使用它可常年无须更换，也不致使发动机出现锈蚀、冻结或结垢。此举不但可减轻维护工作量，而且还提高了发动机的寿命和汽车的使用率。
