水冷式是用水作为介质对内燃机实施冷却。其优点是冷却均匀可靠，便于调节冷却强度，噪音低，为多数内燃机所采用。水冷式有蒸发式、冷凝式和压力循环式等几种。
1．蒸发式小型单缸柴油机多采用该方式。在汽缸体与汽缸盖上铸有水套，水套与水箱相通，水箱口敞开与大气直接相通。工作时，水套与水箱内的冷却水开始因温差而自然对流，当水吸热升温至373K时，开始沸腾和蒸发。热量通过水蒸汽散发到大气中。冷却水在转变为水蒸汽时，便会吸收汽化潜热。蒸发式水冷系统不消耗功率。
2．压力循环式压力循环式水冷系统中水的循环是在水泵的强制压力下进行的，水套进出口温差小，冷却均匀可靠，冷却系统的体积小，重量轻，它主要由风扇、水泵、散热器、水套和节温器等组成。
（1）散热器散热器用来将冷却水吸收的热量散发到大气中，由上、下水室和散热芯组成。散热芯由多排散热管和许多散热片组成，它们焊接在上、下水室之间。
（2）风扇与水泵风扇用以产生强大的气流。当气流高速通过散热芯时，增大了冷却水的散热效果。水泵用以使冷却水以一定的压力循环流动。
（3）节温器一般装在汽缸盖出水口处。其功用是利用其热胀冷缩作用控制阀门自动变更冷却水的循环路线，控制进入散热器的冷却水量，以达到自动调节冷却强度的目的。节温器有液体式和蜡式两种，近年来，以蜡式节温器应用为多。