冷却水套铸造在柴油机的气缸盖和气缸体中。冷却液经水泵加压后，通过配水管进入气缸水套，在流动的同时吸收气缸壁的热量，升温后流入气缸盖水套，通过节温器和散热器进入水管，进入散热器。同时，由于风扇的旋转吸力，空气吹过散热器芯，使得流经散热器芯的冷却液热量不断散发到大气中，温度降低。最后经水泵加压后再次流入气缸水套，柴油机不断循环，转速也随之提高。为了使多缸柴油机的前、后缸冷却均匀，一般的柴油机在缸体中的水太重时，都会配有配水管或铸入式配水室。配水管为金属管，沿纵向出热孔，离水泵的距离越大，前后缸的冷却强度可以相近，整机冷却均匀。

水冷系统还设有水温传感器和水温表，水温传感器安装在气缸盖的出水管处，将出水管的水温传递给水温表。操作人员可借助水温表随时了解冷却系统的工作情况，正常工作水温一般为80-90℃。冷却液和抗冷液体，柴油机中使用的冷却液应该是干净的软水。如果使用硬水，其中的矿物质会在高温下沉淀，附着在管道、水套和散热器芯上产生水垢，降低散热能力，容易使柴油机过热，杀死散热器芯，加速泵叶轮和泵壳的磨损。含矿物质较多的硬水只有经过软化处理后才能加入冷却系统。软化硬水的常用方法是在1L水中加入0.5-1.5克碳酸钠或0.5-0.8克氢氧化钠，待杂质沉淀后，取上述清水注入冷却系统。