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柴油引擎亦分二行程與四行程
在「柴油引擎的歷史」中已經提過，有別於汽油的火花點火(SI)引擎，柴油引擎為壓縮點火(CI)引擎。與汽油引擎一樣，柴油引擎依其運轉方式可分為四行程與二行程引擎。二行程柴油引擎可能大家較為陌生，但是當過裝甲兵的讀者，對於使用在M113運兵車及M109自走砲車上的六缸與八缸二行程柴油引擎，應該會有點印象。用在一般車輛上的柴油引擎，還是以四行程居多，所以本文還是以介紹四行程柴油引擎運作原理為主。
四行程柴油引擎的運作原理
進氣行程：
排汽門關閉而進氣門打開。當活塞從上死點往下行時，僅有在進氣歧管中之空氣經由進氣門被吸入汽缸中，此時並沒有燃油進入汽缸內。
壓縮行程：
在進氣行程結束後，並當活塞從下死點開始往上走時，進氣門即關閉並停止進氣。在活塞上升的同時壓力和溫度便開始增加。在柴油引擎中，空氣必需被壓縮加熱，直至它到達點火溫度以上。
動力行程
當壓縮行程接近終了時，噴油嘴將燃油以霧化方式噴出，經壓縮加熱後之空氣即會點燃被霧化之燃油。在此結果下，汽缸內之壓力將迅速上升並將活塞往下推，此推力變成讓曲軸產生轉動的力量。
排氣行程
在燃燒過程結束後，並當活塞往下走接近下死點時，排汽門即會開啟。當活塞再度往上行時，廢氣便經由排汽門、排汽歧管和消音器將廢氣排至大氣中。
高壓縮比與壓縮點火
柴油引擎在機構元件方面，非常類似於汽油引擎的，但是汽油引擎主要是靠火星塞來點燃混合器，而柴油引擎則是純粹導入空氣並經具高壓縮比(16~23:1)的汽缸容積來壓縮空氣，使所壓縮的空氣其溫度迅速上升超過500℃，然後經由噴油嘴將柴油注入加以霧化，之後藉由已被壓縮的空氣所產生之高溫來自行點燃霧化的柴油。因此柴油引擎不需使用點火系統，但它仍需要噴射泵浦和噴油嘴所組成的燃油噴射系統。
為什麼可以靠壓縮空氣來點燃油氣，而不需要火星塞呢？原因是當空氣分子被導入汽缸壓縮後，空氣中之分子受到互相衝撞與摩擦，因而使分子移動速度被迅速地增加。空氣分子加速表示已從外在吸收了能量，所以造成溫度上升。然而要使汽缸內空氣達能夠點燃柴油溫度，是需要很高壓縮比的，所以高壓縮比是柴油引擎必備的一大特性。
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