柴油发动机的工作过程其实跟汽油发动机一样的，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。
柴油机在进气行程中吸入的是纯空气。在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油机压缩比高（一般为16-22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5-4.5MPa，同时温度高达750-1000K（而汽油机在此时的混合气压力会为0.6-1.2MPa，温度达600-700K），大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6-9MPa，温度也升到2000-2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而作功，废气同样经排气管排入大气中。
普通柴油机的供油系统是由发动机凸轮轴驱动，借助于高压油泵将柴油输送到各缸燃油室。这种供油方式要随发动机转速的变化而变化，做不到各种转速下的最佳供油量。
共轨喷射式供油系统由高压油泵、公共供油管、喷油器、电控单元（ECU）和一些管道压力传感器组成，系统中的每一个喷油器通过各自的高压油管与公共供油管相连，公共供油管对喷油器起到液力蓄压作用。工作时，高压油泵以高压将燃油输送到公共供油管，高压油泵、压力传感器和ECU组成闭环工作，对公共供油管内的油压实现精确控制，彻底改变了供油压力随发动机转速变化的现象。其主要特点有以下三个方面：
1．喷油正时与燃油计量完全分开，喷油压力和喷油过程由ECU适时控制；
2．可依据发动机工作状况去调整各缸喷油压力，喷油始点、持续时间，从而追求喷油的最佳控制点；
3．能实现很高的喷油压力，并能实现柴油的预喷射。
工作条件：柴油机工作时，内部曲柄连杆机构直接与高温高压气体接触，曲轴的旋转速度又很高，活塞往复运动的线速度相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触，曲柄连杆机构还受到化学腐蚀作用，并且润滑困难。可见，曲柄连杆机构的工作条件相当恶劣，它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用。
组成：曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组，机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。
功用：曲柄连杆机构是柴油机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。
柴油机的负荷通常是指柴油机阻力矩的大小。由于平均有效压力与扭矩成正比，所以常用平均有效压力来表示负荷。柴油机的工况是由转速和负荷共同决定的。所谓负荷特性是指柴油机转速不变时，其他主要性能参数（燃油消耗率ge、耗油量Gf和排气温度tr等）随负荷而变化的关系。这时由于转速是常数，所以有效功率可以用来作度量负荷。在发动机调试过程中，经常用负荷特性作为其性能比较的标准。另外，负荷特性给出了在等速条件下，发动机的负荷与燃油消耗率的关系，因此，对负荷可以在很大范围内改变，而转速基本维持不变的固定式发动机（如发电机组用发动机）具有特殊的意义。如果从发动机上测出一系列不同转速下的负荷特性曲线，则可选择出固定式或运输式发动机的最经济工况。柴油机在运转中，充气量变化不大，主要是通过改变每循环供油量来改变混合气的浓度(即过量空气系数)，从而调节柴油机的负荷（称为质调节〉。换句话说，柴油机主要是通过改变喷油泵调节杆的位置，用增加或减少供油量的方法来改变负荷。图是柴油机按负荷特性运转时一些参数随负荷变化的一般规律。柴油机增加负荷就意味着增加每循环供油量，所以耗油量Gf随负荷的增加而增加，而过量空气系数a随负荷的增加而减小；供油量多，放热也多，使排气温度tr随负荷的增加而升高。在空负荷时，Ne=0，Pi=Pm，这时m= 0，所以ge为无穷大。随着负荷的增加，m迅速上升，而ge反而下降。当负荷增加到A点时，ge达到最小值。再继续增加负荷，由于过量空气系数a减小，混合气形成和燃烧恶化，ge反而升高。排气烟度随负荷的增加曲'增加，但在低负荷时增加缓慢，且低负荷时烟度很小，肉眼看不出，通常被认为是排气无烟。在高负荷时，烟度迅速增加.当接近最大功率时，由于a减小，混合气形成和燃烧恶化，燃烧不完全，排气烟度急剧增加（图中B点），此时燃油消耗率ge也迅速升髙。活塞和汽缸盖等机件的热负荷也迅速増大。如果再继续增加供油量，则柴油机排气大量冒黑烟，功率反而下降，因此柴油机存在一个冒烟极限。为了保证柴油机安全可靠地运行，不允许柴油机在冒烟极限下工作。
传感器
美国德尔福宣布开发出了可更准确检测出机油状态的柴油发动机机油传感器。该传感器通过检测机油的状态来确定机油更换时间，比根据行驶周期进行推算，可大幅度延长更换机油和过滤器的时间间隔。新传感器除测定原来的粘度和介电率外，还测定煤烟含量和燃料对机油的稀释度，从而能更准确地检测出机油状态。将于2009年开始面向卡车厂商量产。
由于柴油发动机引擎控制使用多个后喷射的情况增多，经由活塞环掺入机油而稀释机油的燃料量不断增加，这样很容易降低机油的润滑性和粘度。另外，煤烟通过EGR（排气再循环）混入机油的量增加，导致添加剂效果降低、机油粘度升高。由于只测定粘度，容易受这两个相反因素的影响，难以准确掌握机油的恶化程度。
燃料对机油的稀释度，可通过改进过的粘度测定系统根据对流时间进行测定。另一方面，煤烟的含有量可通过检测出的介电率变化进行推算。该传感器可测定机油温度和机油量，设想安装于机油箱底壳或引擎体上，外形设计为小尺寸。
该传感器除可用于商用卡车柴油发动机外，还可用于大型SUV和皮卡车等轻型车柴油发动机以及工业用柴油发动机等。
汽油发动机一般将汽油喷入进气管同空气混合成为可燃混合气再进入汽缸，经火花塞点火燃烧膨胀做功。人们通常称它为点燃式发动机。而柴油机一般是通过喷油泵和喷油咀将柴油直接喷入发动机气缸，和在气缸内经压缩后的空气均匀混合，在高温、高压下自燃，推动活塞做功。人们把这种发动机通常称之为压燃式发动机。
汽油机汽车具有转速高（轿车用汽油机转速可高达5000—6000转/分，货车用汽油机达4000转/分左右）质量轻、工作时噪声小、起动容易、制造和维修费用低等特点，故在轿车和中、小型货车及军用越野车上得到广泛应用。其不足之处是燃油消耗较高，因而燃油经济性较差。柴油机汽车因压缩比高，燃油消耗平均比汽油机汽车低30%左右，所以燃油经济性较好。1.7升柴油轿车比1.6升汽油轿车每百公里可节约2升油。一般货车大都采用柴油机。柴油机的弱点是转速较汽油机低（一般最高转速在2500—3000转/分左右）、质量大、制造和维修费用高（因为喷油泵和喷油器加工精度要求高）。它的应用范围正在向中、轻型货车扩展。国外柴油轿车也有很快的发展，其最高转速可达5000转/分。
