Для тривалої і безперебійної роботи двигуна необхідно забезпечити певний температурний режим. При перегріванні двигуна його потужність зменшується через зростання механічних витрат на подолання сил тертя і зменшення наповнення циліндрів свіжим зарядом робочої суміші. Крім того, при цьому нагрівається масло, в’язкість його зменшується, мащення деталей погіршується. Деталі інтенсивно спрацьовуються і змінюють свої механічні властивості (міцність, твердість). При переохолодженні двигуна також знижується потужність і підвищується витрата палива через погіршення умов утворення і згоряння робочої суміші, а також збільшуються затрати потужності на подолання сил тертя через погіршення мащення деталей при збільшенні в’язкості масла.
Для підтримання постійного теплового режиму працюючого двигуна призначена система охолодження. Деталі двигуна охолоджуються різними способами, але основну кількість теплоти від деталей в атмосферу відводить система охолодження. Залежно від виду теплоносія системи охолодження поділяють на рідинні і повітряні.
Рідинні системи охолодження бувають з термосифонною і примусовою циркуляцією рідини.
У термосифонній системі охолодження циркуляція відбувається через те, що гаряча рідина легша від холодної і піднімається вгору в сорочці охолодження від нагрітих деталей, потім по верхньому патрубку надходить в радіатор, а з радіатора по нижньому патрубку в сорочку охолодження повертається охолоджена рідина. Термосифонна система охолодження проста за будовою, але не забезпечує достатнє охолодження рідини через повільну циркуляцію рідини. Така система застосовується для охолодження пускових двигунів. Сорочка системи охолодження пускового двигуна патрубками сполучена із сорочкою системи охолодження дизеля.
У сучасних двигунах запроваджуються системи охолодження з примусовою циркуляцією рідини за допомогою відцентрового насоса. Завдяки більшій інтенсивності циркуляції рідини місткість таких систем менша, як і маса дизеля, рівномірність і ефективність охолодження більша.
Системи рідинного охолодження, в яких сорочка охолодження вільно сполучена з атмосферною за допомогою паровідвідної трубки, називаються відкритими. У сучасних двигунів сорочка охолодження сполучається з атмосферою періодично через пароповітряний клапан. Така система називається закритою. Застосування пароповітряного клапана дозволяє збільшити тиск в сорочці охолодження до 0,115 МПа, одночасно зростає температура кипіння рідини, вода менше випаровується, що зменшує накип на стінках сорочки.
На сучасних тракторних двигунах застосовується закрита система рідинного охолодження з примусовою циркуляцією рідини, яка складається з таких елементів: сорочки охолодження, яка утворюється порожнинами блока 9 і головки блока циліндрів 7, з’єднаних між собою; радіатора 1, який верхнім 4 і нижнім 11 патрубками з’єднується з сорочкою охолодження; рідинного відцентрового насоса 10 і вентилятора 13, встановлених на одному валу в загальному корпусі, прикріпленому до блока. Привод насоса і вентилятора здійснюється від колінчастого вала через два шківи і приводні паси. У верхній частині головки блока циліндрів розташований корпус термостата 6, який відвідною трубкою 5 з єднаний з корпусом насоса 10. Рідина в сорочку охолодження заливається через горловину верхнього бачка радіатора, яка закривається кришкою з пароповітряним клапаном 2. Зливається рідина із сорочки охолодження за допомогою краників 12, встановлених на нижньому бачку радіатора і блока циліндрів.
При роботі холодного двигуна рідина в системі циркулює по малому колу: насос 10 — розподільна труба 8 — сорочка охолодження— термостат 6 — відвідна трубка — насос 10. Циркуляція здійснюється до досягнення рідиною температури 60...75°С.
При такій температурі спрацьовує термостат і рідина починає циркулювати по великому колу: насос 10 — розподільна труба 8 — сорочка охолодження — термостат 6 — верхній патрубок 4 — верхній бачок радіатора 1 — серцевина радіатора — нижній бачок радіатора — нижній патрубок 11 — насос 10. У трубках серцевини радіатора рідина охолоджується, оскільки в серцевині радіатора один потік рідини із патрубка 4 розподіляється і теплота від рідини передається трубкам серцевини. Зовнішня поверхня трубок обдувається потоком повітря, що всмоктується вентилятором 13.
При нормальній роботі двигуна з номінальним навантаженням температура охолоджувальної рідини, яка потрапляє у верхній бачок радіатора, становить 85...90°С, а температура охолодної рідини на вході в сорочку охолодження відповідно 70...75°С. В радіаторі температура охолоджувальної рідини зменшується на 10...15°С.
Система повітряного охолодження складається із вентилятора 1, кожуха 3, іцитків-дефлекторів 7 і ребер 6 гільз і головок циліндрів. Привод вентилятора 1 здійснюється від колінчастого вала через два шківи і приводний пас.
При роботі дизеля вентилятор 1 втягує атмосферне повітря через сітку 2 і спрямовує його за допомогою кожуха 3 до ребристої поверхні циліндрів, які обдуваються повітряним потоком і охолоджуються. Змінюючи розмір вікон 8 щитками-дефлекторами 7, змінюють інтенсивність охолодження циліндрів. Чим більше розмір вікон 8, тим менше опір потоку повітря вони створюють, а циліндри краще охолоджуються. Під кожухом 3 встановлюється масляний радіатор 4, який також охолоджується повітряним потоком.
Система повітряного охолодження зменшує габарити і масу дизеля, простіша в експлуатації, але має підвищений шум і витрати потужності двигуна (5...10 %) на привод вентилятора.