冷却液でシリンダーを冷却するエンジン。水冷エンジンや油冷エンジンなどがある。

シリンダーの周囲をジャケットで包み、その中に冷却液を循環させて冷却する。熱を奪った液はラジエターで再び冷やされて、エンジンに戻ってくる。また、シリンダー・ヘッドの表面温度はおよそ300℃に保つように設計される。

冷却液には蒸発潜熱が539calと高い水だけを使用する方が有利だが、この場合0℃で凍ってしまうため、冬場や寒冷地では使用できない。そこで、不凍液として3割程度のエチレングリコールを混ぜる。ゆえに純粋な水ではないので、"水冷" よりも "液冷" という言い方の方が適切だが、車系ではもっぱら水冷と呼んでいる。対して軍事系では液冷と呼ぶのが一般的。なお、夏期や熱帯地方では凍る心配が無いので、水だけで用いる。またスズキやポルシェなどは油冷エンジンを採用した車を作っている。

自身の中に冷却システムを持っているため、空冷式のように正面面積を大きくする必要が無く、空気抵抗を軽減できるので高速を発揮できる。しかし、エンジン本体の重量では軽くできるものの、冷却器の分が加わるのでトータルでは空冷式よりも重くなってしまうのが難点。エンジン自体が無事であっても冷却器にダメージを受け冷却システムが停止してしまえば、それでエンジンは終わりである。加えて冷却システムの分だけ全体のシステムが複雑化し、故障率が高くなると共にメンテナンスが難しくなる。

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