Een thermostaat is een automatisch temperatuurregelend apparaat, dat meestal een temperatuursensor bevat. Door uit te zetten of te krimpen wordt de toevoer van koelvloeistof aan- en uitgezet. Dit houdt in dat de thermostaat automatisch de watertoevoer naar de radiator aanpast aan de temperatuur van de koelvloeistof, waardoor het circulatiebereik van de koelvloeistof verandert en de warmteafvoercapaciteit van het koelsysteem wordt geregeld.
De thermostaat van de motor is een wasthermostaat, die werkt op basis van paraffine aan de binnenkant. Door middel van thermische uitzetting en krimp regelt deze paraffine de koelvloeistofcirculatie. Wanneer de koelvloeistoftemperatuur lager is dan de ingestelde waarde, stolt de paraffine in het temperatuursensorgedeelte van de thermostaat. De thermostaatklep sluit dan, onder invloed van een veer, de verbinding tussen de motor en de radiateur. De koelvloeistof stroomt via de waterpomp terug naar de motor, waardoor de circulatie in kleine hoeveelheden begint. Wanneer de temperatuur van de koelvloeistof de ingestelde waarde bereikt, begint de paraffine te smelten en wordt geleidelijk vloeibaar. Het volume neemt toe en drukt op de rubberen slang, waardoor deze krimpt. Tegelijkertijd oefent de rubberen slang een opwaartse druk uit op de duwstang. Deze duwstang oefent een neerwaartse druk uit op de klep, waardoor deze opent. Op dat moment stroomt de koelvloeistof door de radiateur en langs de thermostaatklep, waarna deze via de waterpomp terugkeert naar de motor voor een volledige circulatie. De meeste thermostaten zijn gemonteerd in de wateruitlaatleiding van de cilinderkop. Dit heeft als voordeel een eenvoudige constructie en maakt het gemakkelijk om luchtbellen in het koelsysteem te verwijderen. Het nadeel is dat de thermostaat tijdens gebruik vaak open- en dichtgaat, wat een oscillatieverschijnsel veroorzaakt.
Wanneer de bedrijfstemperatuur van de motor laag is (onder 70 °C), sluit de thermostaat automatisch de leiding naar de radiateur en opent de leiding naar de waterpomp. Het koelwater dat uit het koelvloeistofkanaal stroomt, komt via een slang direct in de waterpomp terecht en wordt door de waterpomp teruggevoerd naar het koelvloeistofkanaal voor circulatie. Doordat het koelwater niet via de radiateur wordt afgevoerd, kan de bedrijfstemperatuur van de motor snel oplopen. Wanneer de bedrijfstemperatuur van de motor hoog is (boven 80 °C), sluit de thermostaat automatisch de leiding naar de waterpomp en opent de leiding naar de radiateur. Het koelwater dat uit het koelvloeistofkanaal stroomt, wordt door de radiateur gekoeld en vervolgens door de waterpomp teruggevoerd naar het koelvloeistofkanaal. Dit verbetert de koeling en voorkomt oververhitting van de motor. Deze cyclus wordt de grote cyclus genoemd. Wanneer de bedrijfstemperatuur van de motor tussen 70 °C en 80 °C ligt, zijn de grote en kleine cycli tegelijkertijd aanwezig, dat wil zeggen dat een deel van het koelwater voor de grote cyclus en het andere deel voor de kleine cyclus wordt gebruikt.
De thermostaat van een auto schakelt de motor uit voordat de temperatuur de normale waarde bereikt. Op dat moment wordt de koelvloeistof door de waterpomp teruggevoerd naar de motor, waardoor een kleine circulatie in de motor plaatsvindt en de motor snel opwarmt. Wanneer de temperatuur de normale waarde overschrijdt, wordt de thermostaat geopend, zodat de koelvloeistof door het hele radiatorcircuit circuleert en de warmte snel wordt afgevoerd.
