柴油機工作原理從物理學角度看，主要涉及四個行程。

進氣行程中，活塞從上止點移至下止點，排氣門關閉，進氣門開啟，氣缸容積增大形成真空，空氣被吸入氣缸。

壓縮行程時，活塞從下止點移至上止點，進、排氣門均關閉，氣缸容積減小，混合氣被壓縮，壓力和溫度升高。

作功行程接近壓縮結束，噴油嘴噴入燃油燃燒，氣體體積膨脹，壓力和溫度驟升，活塞從上止點移至下止點推動曲軸旋轉作功，進、排氣門仍關閉。

排氣行程開始，排氣門開啟，活塞從下止點移至上止點，廢氣排出氣缸。

柴油機與汽油機雖都經(jīng)歷四個行程，但有不同。柴油機燃料是柴油，粘度大不易蒸發(fā)，自燃溫度低，可燃混合氣形成及點火方式與汽油機不同。

氣缸內柴油燃燒產生動能，帶動曲柄連桿機構繞曲軸作往復圓周運動輸出動力。

柴油機主要構造與汽油機大致相同，但汽缸頂部是噴油嘴而非火花塞。工作過程也和汽油機大致相同，由吸氣、壓縮、做功、排氣沖程構成工作循環(huán)。

每個循環(huán)中，活塞往復兩次，曲軸轉動兩周。

能量轉化方面，壓縮沖程是機械能轉化為內能，做功沖程是內能轉化為機械能。

柴油機還分二沖程和四沖程。二沖程柴油機一個工作循環(huán)只有二個沖程，曲軸轉一圈，理論功率高但經(jīng)濟性差、不環(huán)保已淘汰。四沖程柴油機一個工作循環(huán)有四個沖程，曲軸轉二圈。

具體來說，進氣沖程活塞由上止點運動到下止點，進氣門開排氣門關，空氣進入氣缸。

壓縮沖程進氣門開排氣門關，活塞由下至上，空氣被壓縮為高溫高壓。

做功沖程進、排氣門都關閉，柴油噴入氣缸燃燒，推動活塞由上至下。