Температура пламени (в процессе горения топлива) при работе двигателя достигает 2000-2500 град. Цельсия. В течение рабочего цикла средняя температура газов составляет порядка 800-900 град. Цельсия. Однако не вся теплота, которая выделяется при сгорании топлива, в дальнейшем трансформируется в полезную работу. В [табл. 1] показан тепловой баланс двигателей.
Табл. 1. Распределение теплоты при сгорании топлива в двигателе (в %).
| Распределение теплоты | Карбюраторные двигатели | Дизельные двигатели |
| На полезную работу | 22-29 | 29-42 |
| Потери на охлаждение | 20-35 | 20-35 |
| Количество теплоты, которая вынесена с отработавшими газами | 30-55 | 25-40 |
| На отведение смазочным материалом | 3-8 | 2-7 |
| Потери из-за неполноты сгорания и прочее | 0-53 | 0-12 |
Основная доля теплоты (до 22-47 %) идёт на нагрев деталей двигателя (цилиндры, поршни, блок-картер, коленчатый вал, клапаны и прочее). Поэтому при максимальной мощности двигателя температура блока и головки цилиндров достигает 150-250 град. Цельсия, головки поршней – 280-300 град. Цельсия, а выпускных клапанов – 660-900 град. Цельсия.
При чрезмерном нагреве двигателя происходит уменьшение зазоров в подвижных соединениях, из-за чего возможны следующие неисправности:
1) – заклинивание движущихся деталей;
2) – ухудшение смазывания деталей;
3) – ухудшение смазочных свойств масел, а также их пригорание;
4) – нарушение процессов смесеобразование и сгорания, которое выражается в снижении наполнения свежим зарядом воздуха цилиндров, преждевременным воспламенением рабочей смеси, детонацией и прочим. Также возрастают потери на трение, и снижается прочность металла.
Отрицательное влияние на экономичность работы двигателя и износ его деталей также оказывает и интенсивное охлаждение деталей, что может привести к конденсации водяных паров. Стекая со стенок цилиндра, часть конденсата попадает в масло, формируя соли органических кислот (в процессе взаимодействия с металлическими частицами). Данные соли не только плохо растворяются в масле, но и под воздействием высокой температуры выпадают в осадок, тем самым они загрязняют масло и нарушают работу смазочной системы. Вышеописанный процесс влечёт за собой снижение мощности двигателя, а также увеличение удельного расхода топлива. Из-за пониженного теплового режима двигателя тяжёлые фракции топлива и масла сгорают неполностью, а на деталях газораспределительного и кривошипно-шатунного механизмов (клапаны, поршни, камеры сгорания и прочие) происходит нагарообразование. Возможно зависание клапанов вследствие смолистых отложений, а также коксование поршневых колец в канавках поршня. Так, при температуре двигателя и охлаждающей жидкости в пределах 65-70 град. Цельсия вследствие ухудшения процесса сгорания происходит увеличение расхода топлива на 5-10%, а если тепловой режим более низкий, то перерасход может достигать 30-40%.
Следовательно, как чрезмерное понижение температуры, так и излишний нагрев деталей двигателя крайне нежелательны. Существует определённое оптимальное температурное состояние ДВС. Самый выгодный тепловой режим двигателя, при котором расход топлива и износ деталей минимальны, достигается при температуре охлаждающей жидкости порядка 85-90 град. Цельсия.
Искусственное охлаждение двигателя (то есть передача тепла от нагретых частей какой-либо жидкости (жидкостное охлаждение) либо непосредственно воздуху (воздушное охлаждение)) применяется с целью обеспечения и поддержания в заданных расчётных пределах вышеуказанного температурного состояния деталей двигателя, которые нагреваются вследствие сгорания топлива.
Система охлаждения представляет собой совокупность всех устройств, которые обеспечивают заданное температурное состояние двигателя.