水冷エンジン
このため、水冷エンジンは内燃機関を用いる車両の登場当初から冷却効率の高さは認められていたものの、その後数十年に渡り空冷エンジンや油冷エンジンに比較して、製造コストの高さ以上に信頼性に課題が残る構造であると見做されていた。
ウォーターポンプの問題が最終的に解決に向かうのは、水冷エンジン搭載車両の漏水に悩まされていたアメリカ軍が自動車メーカーに「漏水が起こらないウォーターポンプ」の開発を命じたことによる。ウォーターポンプに限らず、流体のポンプ動力軸からの漏れ止めにはメカニカルシールが用いられており、20世紀初めごろより遠心式ポンプや冷凍機など様々な産業機械分野で試行錯誤が重ねられていた。アメリカの自動車メーカーでは1920年代より、船舶のスクリュー軸や蒸気機関のウォーターポンプで実績のあったスタッフィングボックス(英語版)の構造を応用した、黒鉛製の紐型パッキンを用いるパッキンナット構造のウォーターポンプを採用していたが、1939年にはゼネラルモーターズにより自己潤滑性の高いカーボン製パッキンを用いるウォーターポンプが開発され、1943年には産業機械分野のメカニカルシールで高い実績のあったクレーン・パッキング(英語版)社にて、ゴム製ベローズ(蛇腹)構造のパッキンを用いたメカニカルシールが発明された。これらがアメリカ軍のジープに採用されたことで、ついに水冷エンジンはウォーターポンプからの漏水の問題を完全に克服することとなる。
1930年代の航空機用水冷エンジンでは、蒸気を用いる沸騰冷却システムの導入が模索された。
燃焼室周囲、すなわちレシプロエンジンの場合はシリンダーブロック、ロータリーエンジンの場合はローターハウジングに、ウォータージャケット(英語版)と呼ばれる空間を設けて冷却水を通し、燃焼によって発生した熱を奪い過熱を防いでいる。冷却水の経路は、外界と接続せず循環するものと外界に通じ一方通行のものがある。前者の場合、ウォータージャケットで温まった冷却水はラジエーターで外部に熱を放出し、再びウォータージャケットに送られ熱を奪う。後者の場合、エンジンが利用される場所の周囲にある水を吸い上げて冷却に用い、温まった水は放出される。自動車や航空機は前者が多く、船舶ではどちらも用いられる。
機関の運転に最適な温度に保つため、一般的に冷却水の循環経路にサーモスタット弁を設け、水温に応じてラジエーターに向かう(またはラジエーターから戻る)水量を調節している。より効率的にエンジンの冷却を行うため、冷却水は100°Cでは沸騰しないように加圧されている。また冷却水が凍結すると膨張して配管や部品を破壊する可能性があるため、添加剤が加えられた不凍液とされることが多い。