四冲程柴油机的工作循环是由进气、压缩、膨胀、排气四个过程组成的，每个过程曲轴旋转180°（半圈），完成这四个过程曲轴旋转两圈（720°）。四冲程柴油机完成一个工作循环的4个过程如图1所示。

图1四冲程柴油机的工作循环示意图
　　柴油机是在气缸中把燃油的化学能转变为热能、并通过工质（燃气）和活塞、曲柄连杆机构再将热能转变成机械能的热机。因此在气缸中必须具备供燃油燃烧的充足新鲜空气和燃油自然温度，当喷入雾化良好的燃油与空气混合后能迅速燃烧。
　　①第一冲程——进气冲程 这一冲程活塞从上止点到下止点，完成主要的进气过程，如图2(a)至(b)。当活塞从上止点向下止点运动时，进气阀早已打开（曲柄在图2中1的位置），随着活塞下行气缸容积不断增大，使气缸内压力低于外界大气压力，新鲜空气在活塞的这种抽吸作用下，经空气滤清器、进气管道、进气阀进入气缸。实际上，进气过程一直进行到进气阀完全关闭时为止。

图2 四冲程柴油机的进气冲程
　　为了充分利用进气的惯性多充入一些空气，进气阀并不是活塞到达下止点时就关闭，而是在活塞越过下止点又开始上行到某一时刻（曲柄在图2所示3的位置）才关闭。进气终点时气缸内气体压力略低于大气压力；由于进气的受热，温度为300～340K。
　　②第二冲程——压缩冲程 这一冲程活塞从下止点到上止点，主要完成对空气的压缩，如图3(b)至(c)。由于进气阀在这一冲程中曲柄转到图3所示3的位置才关闭，所以3点位置才是压缩过程的始点。当活塞上行到接近上止点时，气缸内压力达到3～5MPa，温度约为800～950K，比柴油的自燃温度（600K左右）高200～300K。可见，压缩过程为燃油的燃烧和工质的膨胀做功创造了条件。

图3 四冲程柴油机的压缩冲程
　　压缩过程接近终点（一般在上止点前5～30°，视机型的不同而不同，这个开始喷油的角度称为喷油提前角）时，喷油器开始将定量的燃油喷入气缸，在经过短暂的混合准备之后迅速着火燃烧（燃烧过程见本章第二节之相关所述），产生强大的高温高压气体推动活塞开始进行做功冲程。
　　③第三冲程——燃烧膨胀冲程 这一冲程活塞从上止点到下止点,主要完成燃烧膨胀过程，燃气推动活塞做功，如图4（c）至（d）。

图4 四冲程柴油机的燃烧膨胀冲程
　　在压缩冲程活塞到达上止点前某一时刻（曲柄在图4所示中4的位置），燃油经喷油器以良好的雾化状态喷入燃烧室与空气混合后自行发火燃烧。当活塞越过上止点后,气缸内的气体压力、温度急剧上升，最高压力可达6.0～9.0MPa以上，温度可达1800～2200K。活塞在高温高压的燃气作用下，从上止点向下止点运动，将动力通过连杆传给曲轴，曲轴以回转的形式输出功率。随着活塞的下行，气缸容积也逐渐增大，燃气的压力和温度也逐渐下降。直至排气阀打开时（压力降至0.25～0.45MPa，温度降至900～1200K）膨胀做功结束。
　　实际上为了减少排气功，排气阀在活塞到达下止点之前某一位置（曲柄在图4所示5的位置）时，排气阀就已打开，开始自由排气。
　　④第四冲程——排气冲程 这一冲程活塞从下止点到上止点，将气缸中的废气强制排出，完成主要排气过程，为下一循环进气做好准备，如图5(d)至(a)。
　　实际上，活塞到达上止点时排气阀并没关闭，而是在活塞又开始下行某一位置（曲柄在图5(a)所示2的位置）时才关闭。

图5四冲程柴油机的排气冲
　　曲轴继续旋转，活塞又从上止点向下运动，重复上述过程，又开始新的循环。