Система охолодження —  сукупність пристроїв, що забезпечують підтримання оптимальної температури двигуна (як правило 85...95 °C).

Сильне нагрівання може викликати порушення нормальних робочих зазорів і, як наслідок, посилене зношування, заклинювання та поломку деталей, а також зниження потужності двигуна, за рахунок погіршення наповнення циліндрів горючою сумішшю, самозаймання та детонації. Для забезпечення нормальної роботи двигуна необхідно охолоджувати деталі, що торкаються гарячих газів, відводячи від них тепло в атмосферу безпосередньо, або за допомогою проміжного тіла (води, низькозамерзаючої рідини). При надмірно сильному охолодженні робоча суміш, потрапляючи на холодні стінки циліндра, конденсується і стікає в картер двигуна, де розріджує моторне масло. Як наслідок - потужність двигуна зменшується, а зношування деталей збільшується. При зниженні температури олива густішає. Це є причиною того, що масло гірше подається в циліндри та збільшується витрата палива, зменшується потужність. Тому система охолодження має обмежувати температурні межі, забезпечуючи найкращі умови роботи двигуна.

Система охолодження, крім основної функції охолодження двигуна, виконує низку інших функцій, до яких належать:

• нагрівання повітря в системі опалення, вентиляції та кондиціонування;

• охолодження масла в системі змащування;

• охолодження відпрацьованих газів в системі рециркуляції відпрацьованих газів;

• охолодження повітря в системі його нагнітання (турбонаддув);

• охолодження робочої рідини в автоматичній коробці передач.

Існує три типи систем охолодження двигунів внутрішнього згоряння: повітряна, рідинна та гібридна.

Повітряне охолодження

Повітряне охолодження може бути природним та примусовим. Природне повітряне охолодження є найпростішим видом охолодження. Тепло від двигуна з такою системою охолодження передається в навколишнє середовище через розвинені ребра на зовнішній поверхні циліндрів та головок. Недолік системи полягає в тому, що вона через низьку теплоємність повітря не дозволяє рівномірно відводити від двигуна велику кількість тепла і, відповідно, створювати компактні потужні силові установки. Нерівномірність обдування вимагає додаткових заходів для виключення локальних перегрівів - більш розвинених ребер в аеродинамічній тіні, розташування більш нагрітих випускних каналів вперед по потоку, а холодних впускних - назад і т.п. Природне повітряне охолодження поширене на двигунах легкої високорухливої ​​техніки: мотоцикли, мопеди. З систематичним зростанням форсування моторів мотоциклів повітряне охолодження поступається місцем рідинному. Внаслідок малої маси природне повітряне охолодження широко застосовувалося і на поршневих авіаційних двигунах.

Стаціонарні чи щільно закапотовані двигуни оснащують системою примусового повітряного охолодження. Вони за допомогою вентилятора створюють потік повітря, який обдуває ребра охолодження. Вентилятор та оребровані поверхні, як правило, закриті напрямним кожухом. Переваги такого двигуна аналогічні двигунам з природним охолодженням: простота конструкції, мала вага, відсутність охолоджувальної рідини. Однак такі двигуни відрізняються підвищеним шумом під час роботи, великими габаритами. Крім того, при проектуванні таких двигунів виникають проблеми з охолодженням окремих елементів конструкції двигуна через нерівномірне обдування. На легкових автомобілях, що виробляються в Європі, повітряне охолодження широко застосовувалося у 1950-х – 1970-х роках (Volkswagen Kafer, Fiat 500, Citroën 2CV, Tatra 613). У нашій країні найвідомішим автомобілем із повітряним охолодженням був «Запорожець». Випускалися вантажні автомобілі з дизелями повітряного охолодження (наприклад, вантажні автомобілі під маркою «Татра» з моменту початку випуску і до початку 2010 року оснащувалися виключно такими двигунами). Двигуни з повітряним охолодженням мають багато тракторів (іноді - важкі, наприклад Т-330; частіше - малі, від звичайних просапних до міні-тракторів дрібних приватних господарств), для яких характерні сталі режими роботи двигуна і специфічні вимоги до простоти обслуговування. В теперішній час примусове повітряне охолодження застосовується на більшості скутерів, моторизованому інструменті (бензопили, газонокосарки та ін.), двигунах малогабаритних генераторних установок, на мотоблоках та інших самохідних та стаціонарних малих сільськогосподарських та комунальних машинах. Для останніх дуже поширені уніфіковані ряди простих одно-двоциліндрових двигунів повітряного охолодження, однакові у різних виробників (Briggs & Strattonruen, Honda, Subaru, китайські), у вигляді компактного закінченого блоку з кріпленням на горизонтальну площину.

Рідинне охолодження

Системи рідинного охолодження класифікуються відповідно до способу використання теплоносія в системі:

• Замкнуті — у таких системах рідина-теплоносій циркулює по герметичному контуру, нагріваючись від джерела тепла (нагрівача) і остигаючи в контурі, що охолоджує (охолоджувачі). Залежно від системи, теплоносій може закипати або повністю випаровуватися, знову конденсуючись в охолоджувачі. 

• Незамкнуті — у незамкнених (проточних) системах теплоносій подається ззовні, нагрівається біля джерела тепла та прямує у зовнішнє середовище. В цьому випадку вона відіграє роль охолоджувача, надаючи необхідний об'єм теплоносія потрібної температури на вході та приймаючи нагрітий на виході. 

• Відкриті — системи, в яких нагрівач поміщений у певний об'єм теплоносія, а той укладений в охолоджувачі, якщо такий передбачений конструкцією. Наприклад, відкрита система з маслом як теплоносій використовуються для охолодження потужних електротрансформаторів.

До «чисто рідинних» систем охолодження можна віднести лише відкриті системи охолодження річкових та морських суден, де для охолодження використовується забортна вода. У деяких стаціонарних двигунах початку XX століття міг бути відсутній радіатор, натомість був розширювальний бак великого об'єму — частково тепло розсіювалося за рахунок випаровування води, частково — через стінки бака, а частково за рахунок великого об'єму води, який не встигав достатньо прогрітися за час роботи двигуна.

На сучасних автомобільних двигунах здебільшого використовується гібридний тип замкненої системи — вона поєднує вищевказані системи: тепло від циліндрів відводиться рідиною, після чого вона, на відстані від теплонавантаженої частини двигуна, охолоджується в радіаторах повітрям.

Система охолодження складається з сорочки охолодження блоку циліндрів та головки блоку циліндрів, одного або декількох радіаторів, вентилятора примусового охолодження радіатора, рідинного насоса, термостата, розширювального бачка, сполучних патрубків і датчика температури. Цей тип використовується на всіх сучасних автомобілях.

Охолоджувальна рідина прокачується насосом через сорочку охолодження двигуна, забираючи від неї тепло, а потім охолоджується сама в радіаторі. У цій системі існує два кола циркуляції рідини – велике та мале. У мале коло входить сорочка охолодження двигуна, водяний насос, термостат (іноді радіатор обігрівача салону входить в мале коло). Велике коло становлять сорочка охолодження двигуна, водяний насос, радіатори, термостат. Регулювання кількості рідини між колами циркуляції рідини здійснюється термостатом. Мале коло охолодження призначене для швидкого прогрівання двигуна до робочої температури. При цьому охолоджувальна рідина фактично не охолоджується, так як не проходить через радіатор. Як тільки вона нагріється до оптимальної температури, термостат відкривається, і охолоджувальна рідина починає циркулювати також і через радіатор, де безпосередньо і охолоджується набігаючим потоком повітря (а у разі тривалої стоянки - примусово вентилятором). При цьому, чим сильніше нагрівається охолоджувальна рідина, тим сильніше відкривається термостат, і тим сильніше рідина охолоджується в радіаторі. Таким чином підтримується оптимальна температура двигуна 85...90 °C.

Дуже небезпечним явищем є перегрів двигуна (кипіння двигуна). При цьому охолоджувальна рідина у прямому сенсі закипає в сорочці охолодження, що дуже часто призводить до серйозних наслідків і дорогого ремонту. Для попередження перегріву двигуна всю систему тримають під деяким надлишковим тиском (близько 1,1 атм), при якому підвищується температура кипіння охолоджуючої рідини (близько 110...120 °C). Крім того, при перевищенні температури охолоджувальної рідини більше 105 °C включається примусовий обдув радіатора вентилятором.

Основні частини рідинної системи охолодження:

• Сорочка охолодження являє собою порожнину, що обгинає частини двигуна, що потребують охолодження. Рідина, що циркулює по сорочці охолодження, відбирає у них тепло і переносить його до радіатора.

• Насос охолоджувальної рідини, або помпа забезпечує циркуляцію рідини по контуру охолодження. У деяких двигунах, наприклад міні-тракторів, може застосовуватися термосифонна система охолодження - тобто система з природною циркуляцією охолоджуючої рідини в якій цей насос відсутній. Помпа може приводитись в дію або через ремінну передачу від валу двигуна, або від окремого електродвигуна.

• Термостат призначений для підтримання робочої температури двигуна. Термостат перенаправляє охолоджуючу рідину по малому колу - в обхід радіатора, якщо температура не досягла робочої.

• Радіатор має розвинену поверхню, що обдувається зовні потоком набігаючого повітря. Радіатор виготовляється з матеріалів, що добре проводять тепло, найчастіше з алюмінію, рідше із міді або латуні.

• Вентилятор створює додатковий потік повітря для обдування радіатора, у тому числі під час зупинок та під час руху на малій швидкості. Може приводитись в дію ремінною передачею від валу двигуна, але в більшості сучасних автомобілів, за винятком великих вантажних авто, він працює від електродвигуна.

• Розширювальний бак містить запас охолоджуючої рідини. З атмосферою розширювальний бак сполучений через клапан, що підтримує надлишковий тиск охолоджувальної рідини при роботі, що дозволяє двигуну працювати при більшій температурі, не допускаючи кипіння охолоджуючої рідини, що може призвести до пошкодження двигуна. Автомобілі початку-середини ХХ століття часто не мали розширювальних бачків. У них запас охолоджуючої рідини знаходився у верхньому бачку радіатора. Це було цілком допустимо, оскільки в основному в системі охолодження використовувалася вода, і її розширення при нагріванні було невеликим. З поширенням антифризів на основі етиленгліколю використання розширювального бака стало обов'язковим. Напівпрозорий бак, розташований у доступному місці у верхній точці системи, також полегшує контроль рівня рідини.

На додаток до основної системи охолодження в двигунах великої потужності, а також на двигунах з повітряним охолодженням застосовується охолодження оливи. Охолодження масла необхідно також тому, що воно надходить до пар тертя - найчутливіших до перегріву місць двигуна. Олива може охолоджуватися охолоджувальною рідиною (через теплообмінник), або навколишнім повітрям від окремого радіатора.