柴油機是一部將燃料的化學能轉換為機械能的機器。柴油機實現能量轉換必須經過下面四個階段或過程：進氣過程，氣缸內吸入新鮮空氣；壓縮過程，將吸入氣缸內的空氣壓縮，使其溫度和壓力升高；膨脹做功過程，將燃油噴入已被壓縮且溫度達到燃油自燃溫度的缸內氣體中，燃油迅速與空氣混合并急劇燃燒；排氣過程，將已經燃燒并做功后的廢氣排出氣缸。下面是詳細說明：

　　進氣
　　進氣門開啟，排氣門關閉，活塞由上止點向下止點移動，活塞上方的氣缸容積增大，產生真空度，氣缸內壓力降到進氣壓力以下，在真空吸力作用下，通過化油器或汽油噴射裝置霧化的汽油，與空氣混合形成可燃混合氣，由進氣道和進氣門吸入氣缸內。進氣過程一直延續到活塞過了下止點進氣門關閉為止。接著上行的活塞開始壓縮氣體。

　　壓縮
　　進排氣門全部關閉，壓縮缸內可燃混合氣，混合氣溫度升高，壓力上升。活塞臨近上止點前，可燃混合氣壓力上升到0.6-1.2MPa左右，溫度可達330℃-430℃。

　　做功
　　當壓縮沖程接近終了時，在高壓油泵作用下，將柴油以10MPa左右的高壓通過噴油器噴入汽缸燃燒室中，在很短的時間內與空氣混合后立即自行發火燃燒。汽缸內氣體的壓力急速上升，最高達5000-5000kPa，最高溫度達1800-2000K。

　　排氣
　　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。對于單缸發動機來說，其轉速不均勻，發動機工作不平穩，振動大。這是因為四個沖程中只有一個沖程是做功的，其他三個沖程是消耗動力為做功做準備的沖程。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。

　　柴油機每完成上述四個過程即為一個工作循環。無論是二沖程柴油機還是四沖程柴油機均是如此。對于二沖程柴油機，完成上述四個過程曲軸旋轉一圈（360°），活塞上下運行各一次（即兩個活塞行程），所以稱為二沖程柴油機。對于四沖程柴油機，完成上述四個過程曲軸旋轉兩圈（720°），活塞上下運行各兩次（即四個活塞行程），所以稱為四沖程柴油機。