Ein Thermostat ist ein automatisches Temperaturregelungsgerät, das üblicherweise einen Temperaturfühler enthält und durch Ausdehnung oder Zusammenziehen den Durchfluss der Kühlflüssigkeit ein- und ausschaltet, d. h. die Wassermenge im Kühler automatisch an die Temperatur der Kühlflüssigkeit anpasst, den Zirkulationsbereich der Kühlflüssigkeit verändert und so die Wärmeabfuhrleistung des Kühlsystems reguliert.
Das Hauptthermostat des Motors ist ein Wachsthermostat, dessen Funktion durch das darin enthaltene Paraffin mittels Wärmeausdehnung und Kältekontraktion gesteuert wird. Dadurch wird die Kühlmittelzirkulation reguliert. Liegt die Kühlmitteltemperatur unter dem Sollwert, ist das Paraffin im Thermostatgehäuse fest. Das Thermostatventil schließt unter Federwirkung den Kanal zwischen Motor und Kühler, sodass das Kühlmittel über die Wasserpumpe zum Motor zurückfließt und dieser einen kleinen Zyklus durchläuft. Erreicht das Kühlmittel den Sollwert, schmilzt das Paraffin und wird flüssig. Durch die Volumenzunahme drückt es auf den Gummischlauch und zieht diesen zusammen. Gleichzeitig drückt der Gummischlauch auf die Schubstange, die wiederum das Ventil öffnet. Nun strömt das Kühlmittel durch den Kühler und das Thermostatventil und gelangt über die Wasserpumpe zurück zum Motor, wo es einen großen Kreislauf erreicht. Die meisten Thermostate sind im Wasserauslassrohr des Zylinderkopfs angeordnet. Dies bietet den Vorteil einer einfachen Konstruktion und erleichtert das Entfernen von Luftblasen aus dem Kühlsystem. Der Nachteil besteht darin, dass sich der Thermostat während des Betriebs häufig öffnet und schließt, was zu Schwingungsphänomenen führt.
Bei niedriger Motorbetriebstemperatur (unter 70 °C) schließt das Thermostat automatisch den Kühlkreislauf zum Kühler und öffnet den zur Wasserpumpe. Das aus dem Kühlmantel austretende Kühlwasser gelangt über den Schlauch direkt zur Wasserpumpe und wird von dieser zur Zirkulation in den Kühlmantel zurückgeführt. Da das Kühlwasser nicht über den Kühler abgeführt wird, kann die Motorbetriebstemperatur schnell ansteigen. Bei hoher Motorbetriebstemperatur (über 80 °C) schließt das Thermostat automatisch den Kühlkreislauf zur Wasserpumpe und öffnet den zum Kühler. Das aus dem Kühlmantel austretende Kühlwasser wird vom Kühler gekühlt und anschließend von der Wasserpumpe zurück in den Kühlmantel befördert. Dies verbessert die Kühlleistung und verhindert eine Überhitzung des Motors. Dieser Kreislauf wird als großer Kreislauf bezeichnet. Bei einer Motorbetriebstemperatur zwischen 70 °C und 80 °C laufen großer und kleiner Kreislauf parallel ab, d. h. ein Teil des Kühlwassers durchläuft den großen, der andere den kleinen Kreislauf.
Die Funktion des Autothermostats besteht darin, das Fahrzeug zu schließen, bevor die Temperatur die normale Betriebstemperatur erreicht hat. In diesem Moment wird die Kühlflüssigkeit mithilfe der Wasserpumpe zurück in den Motor gepumpt, wodurch eine geringe Zirkulation im Motor stattfindet und dieser sich schnell erwärmt. Sobald die Temperatur die normale Betriebstemperatur überschreitet, öffnet sich das Thermostat wieder, sodass die Kühlflüssigkeit im gesamten Kühlkreislauf zirkuliert und die Wärme schnell abgeführt wird.
