四行程單缸柴油機的基本工作過程：通過動力使柴油發電機曲軸轉動，繼而使活塞在封閉氣缸中作往復運動來啟動柴油機。活塞完成四個沖程分別是進氣、壓縮、工作和排氣沖程。第一沖程是進氣沖程，在曲軸的帶動下，活塞由上止點移至下止點，此時排氣門關閉，進氣門打開，由于氣缸內容積的增大，外界大氣壓高于氣缸內的壓力，在氣缸內外壓力差下，外界的空氣通過進氣門進入氣缸中，由于進氣系統存在阻力，進入氣缸的空氣壓力低于大氣壓，溫度要高于外界大氣溫度。
第二沖程是壓縮沖程，進、排氣門都關閉，活塞由下止點移至上止點，活塞將第一沖程吸入得空氣壓縮至燃燒室，使其溫度和壓力變高。第三沖程是工作沖程，進、排氣閥處于關閉狀態，活塞由上止點移至下止點，在接近壓縮沖程末尾時，噴油器將高壓燃油噴入氣缸中，使之和高壓高溫空氣混合，此時已近超過了柴油自燃點溫度，便著火燃燒，產生大量的熱能，使氣缸內壓力及溫度迅速升高，繼而推動活塞向下移動，并對外界做功，伴隨過程的進行，內能轉化為機械動力能，氣缸內氣體的溫度、壓力迅速降低。
第四沖程是排氣沖程，進氣門處于關閉，排氣門處于打開狀態，活塞由下止點移至上止點，燃燒后的氣體變為廢氣繼而在活塞向上運動時經由排氣門被擠壓排出。
由上面四個工作過程可以看到，做功的過程只是第三沖程，其余的三個沖程則是消耗能量的輔助過程，在單缸柴油機上利用飛輪來提供這些能量，在多缸柴油機中依靠其余缸的作功沖程來提供。
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