四行程单缸柴油机的基本工作过程：通过动力使柴油发电机曲轴转动，继而使活塞在封闭气缸中作往复运动来启动柴油机。活塞完成四个冲程分别是进气、压缩、工作和排气冲程。第一冲程是进气冲程，在曲轴的带动下，活塞由上止点移至下止点，此时排气门关闭，进气门打开，由于气缸内容积的增大，外界大气压高于气缸内的压力，在气缸内外压力差下，外界的空气通过进气门进入气缸中，由于进气系统存在阻力，进入气缸的空气压力低于大气压，温度要高于外界大气温度。
第二冲程是压缩冲程，进、排气门都关闭，活塞由下止点移至上止点，活塞将第一冲程吸入得空气压缩至燃烧室，使其温度和压力变高。第三冲程是工作冲程，进、排气阀处于关闭状态，活塞由上止点移至下止点，在接近压缩冲程末尾时，喷油器将高压燃油喷入气缸中，使之和高压高温空气混合，此时已近超过了柴油自燃点温度，便着火燃烧，产生大量的热能，使气缸内压力及温度迅速升高，继而推动活塞向下移动，并对外界做功，伴随过程的进行，内能转化为机械动力能，气缸内气体的温度、压力迅速降低。
第四冲程是排气冲程，进气门处于关闭，排气门处于打开状态，活塞由下止点移至上止点，燃烧后的气体变为废气继而在活塞向上运动时经由排气门被挤压排出。
由上面四个工作过程可以看到，做功的过程只是第三冲程，其余的三个冲程则是消耗能量的辅助过程，在单缸柴油机上利用飞轮来提供这些能量，在多缸柴油机中依靠其余缸的作功冲程来提供。
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