柴油机是一部将燃料的化学能转换为机械能的机器。柴油机实现能量转换必须经过下面四个阶段或过程：进气过程，气缸内吸入新鲜空气；压缩过程，将吸入气缸内的空气压缩，使其温度和压力升高；膨胀做功过程，将燃油喷入已被压缩且温度达到燃油自燃温度的缸内气体中，燃油迅速与空气混合并急剧燃烧；排气过程，将已经燃烧并做功后的废气排出气缸。下面是详细说明：

　　进气
　　进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方的气缸容积增大，产生真空度，气缸内压力降到进气压力以下，在真空吸力作用下，通过化油器或汽油喷射装置雾化的汽油，与空气混合形成可燃混合气，由进气道和进气门吸入气缸内。进气过程一直延续到活塞过了下止点进气门关闭为止。接着上行的活塞开始压缩气体。

　　压缩
　　进排气门全部关闭，压缩缸内可燃混合气，混合气温度升高，压力上升。活塞临近上止点前，可燃混合气压力上升到0.6-1.2MPa左右，温度可达330℃-430℃。

　　做功
　　当压缩冲程接近终了时，在高压油泵作用下，将柴油以10MPa左右的高压通过喷油器喷入汽缸燃烧室中，在很短的时间内与空气混合后立即自行发火燃烧。汽缸内气体的压力急速上升，最高达5000-5000kPa，最高温度达1800-2000K。

　　排气
　　柴油机的排气与汽油机基本相同，只是排气温度比汽油机低。一般Tr=700-900K。对于单缸发动机来说，其转速不均匀，发动机工作不平稳，振动大。这是因为四个冲程中只有一个冲程是做功的，其他三个冲程是消耗动力为做功做准备的冲程。为了解决这个问题，飞轮必须具有足够大的转动惯量，这样又会导致整个发动机质量和尺寸增加。

　　柴油机每完成上述四个过程即为一个工作循环。无论是二冲程柴油机还是四冲程柴油机均是如此。对于二冲程柴油机，完成上述四个过程曲轴旋转一圈（360°），活塞上下运行各一次（即两个活塞行程），所以称为二冲程柴油机。对于四冲程柴油机，完成上述四个过程曲轴旋转两圈（720°），活塞上下运行各两次（即四个活塞行程），所以称为四冲程柴油机。