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。

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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）。

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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100MPa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。

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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。現代汽車多采用四缸、六缸和八缸發動機。