柴油機的工作原理和汽油機基本相同，也是四沖程，通過活塞的往復運動做功。主要區別在於可燃混合氣的形成方式和點火方式。表10-6顯示了柴油發動機和汽油發動機的區別。柴油機沒有化油器，只有空氣在進氣沖程時通過進氣門進入氣缸體。因為柴油機的壓縮比高於汽油機，所以得到的高壓氣體溫度更高。
在壓縮沖程末期，燃油通過噴油器直接噴入氣缸，高壓空氣與噴入的燃油混合，使燃油在高溫高壓下自燃，這就需要高壓。燃油噴射速度以及燃油和空氣的混合速度決定了燃油的燃燒速度。為了避免壹次進入的燃油過多，導致氣缸內壓力過高，可以在作功沖程中持續噴射燃油。
汽油機通過節氣門的位置來改變發動機所做的功。在怠速狀態下，節氣門關閉，只有少量空氣進入氣缸體。當輸出功較大時，更多的空氣通過節氣門進入。但是，在不同的工況下，進入柴油機的空氣量是恒定的。它通過控制噴油量來決定發動機的轉速和輸出功。
在柴油機中，燃油噴入燃燒室後，不能與空氣完全混合，氣缸體中心燃燒狀態豐富，燃燒面積達不到氣缸壁。柴油機滿負荷運轉時，燃燒室內的富燃面積大，燃油過剩量大，會產生大量黑煙。
柴油機根據結構不同可分為直噴式和預混式。直噴式柴油機的中央噴嘴將燃油直接噴入燃燒室。燃燒室中的空氣和燃油沒有充分混合，存在著濃燃燒區和稀燃燒區。預混合柴油發動機是壹種間接噴射柴油發動機。燃油不是直接噴入主缸，而是在主缸前增加壹個預混缸。燃油首先在這裏燃燒，燃燒的氣體通過連接孔進入主缸。這種工作模式增加了混合氣的湍流度，使燃油和空氣混合更充分，不存在過濃區，減少了黑煙顆粒的形成。大多數輕型柴油機采用預混合式。但當氣體通過連接孔膨脹進入氣缸時，會損失壹部分能量，降低發動機的效率。
2柴油發動機排放汙染物的形成
柴油機排氣的有害成分主要有CO、HC、氮氧化合物、硫化物、顆粒物(或顆粒物)和異味。由於柴油機使用的混合氣平均空燃比大於理論空燃比，其CO和HC排放明顯低於汽油機，而柴油機的NO排放與汽油機相差無幾，而顆粒物和難聞氣體的排放則遠高於汽油機。實驗證明，柴油機的顆粒物排放可以達到汽油機的10倍。柴油機的排放特性與燃燒室的形式有很大的關系，特別是直噴式柴油機和間接噴射式柴油機的排放差別很大。渦流燃燒室柴油機的NO、CO、HC和煙度普遍低於直噴式柴油機，特別是氮氧化合物排放濃度普遍比直噴式柴油機低1/3 ~ 1/2。
在結構相同但燃燒室不同的直噴式和渦流室式柴油機上的試驗結果表明，直噴式柴油機的NO、CO、HC和煙度均高於渦流室式柴油機，尤其是高負荷時的NO、CO和煙度以及低負荷時的CO和HC。然而，渦流室柴油機的燃油消耗率高於直噴式柴油機。