柴油機不像汽油機，在壓縮行程結束後由火花塞引燃壓縮混合氣。在柴油機的壓縮行程末，缸內溫度已經達到了柴油的燃燒溫度以上，柴油直接由噴油嘴直接噴至氣缸內，柴油與高溫氣體接觸發生燃燒（氣體溫度高於柴油燃燒點溫度），從而推動活塞下移做功。

柴油機和汽油機一樣，每個工作迴圈也是由進氣衝程、壓縮衝程、做功衝程和排氣衝程組成。由於柴油機以柴油作燃料，與汽油相比，柴油自燃溫度低、黏度大不易蒸發，因而柴油機採用壓縮終點壓燃著火，也叫壓燃式點火，其工作過程及系統結構與汽油機有所不同.

(1) 進氣衝程

進入汽缸的工質是純空氣。由於柴油機進氣系統阻力較小，進氣終點壓力pa= (0.85～0.95)p0，比汽油機高。進氣終點溫度Ta=300～340K，比汽油機低。

(2) 壓縮衝程

由於壓縮的工質是純空氣，因此柴油機的壓縮比比汽油機高(一般為ε=16～22)。壓縮終點的壓力為3 000～5 000kPa，壓縮終點的溫度為750～1 000K，大大超過柴油的自燃溫度(約520K)。

(3) 做功衝程

當壓縮衝程接近終了時，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓透過噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時間內與空氣混合後立即自行發火燃燒。汽缸內氣體的壓力急速上升，最高達5 000～9 000kPa，最高溫度達1 800～2 000K。由於柴油機是靠壓縮自行著火燃燒，故稱柴油機為壓燃式發動機。

(4) 排氣衝程

柴油機的排氣與汽油機基本相同，只是排氣溫度比汽油機低。一般Tr=700～900K。對於單缸發動機來說，其轉速不均勻，發動機工作不平穩，振動大。這是因為四個衝程中只有一個衝程是做功的，其他三個衝程是消耗動力為做功做準備的衝程。為了解決這個問題，飛輪必須具有足夠大的轉動慣量，這樣又會導致整個發動機質量和尺寸增加。採用多缸發動機可以彌補上述不足。現代汽車用多采用四缸、六缸和八缸發動機。