壓縮沖程時，進、排氣門同時關閉。活塞從下止點向上止點運動，曲軸轉動180°。活塞上移時，工作容積逐漸縮小，缸內混合氣受壓縮后壓力和溫度不斷升高，到達壓縮終點時，其壓力pc可達800～2 000kPa，溫度達600～750K。
四沖程柴油機工作原理汽油機一樣，每個工作循環也是由進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程組成。由于柴油與汽油相比，自燃溫度低、黏度大不易蒸發，因而柴油機采用壓縮終點壓燃著火（壓燃式點火），而汽油機是火花塞點燃。
發動機是由曲柄連桿機構和配氣機構兩大機構，以及冷卻、潤滑、點火、燃料供給、啟動系統等五大系統組成。主要部件有氣缸體、氣缸蓋、活塞、活塞銷、連桿、曲軸、飛輪等。往復活塞式內燃機的工作腔稱作汽缸，汽缸內表面為圓柱形。在汽缸內作往復運動的活塞通過活塞銷與連桿的一端鉸接，連桿的另一端則與曲軸相連，曲軸由氣缸體上的軸承支承，可在軸承內轉動，構成曲柄連桿機構。活塞在汽缸內作往復運動時，連桿推動曲軸旋轉。反之，曲軸轉動時，連桿軸頸在曲軸箱內作圓周運動，并通過連桿帶動活塞在氣缸內上下移動。曲軸每轉一周，活塞上、下各運行一次，汽缸的容積在不斷的由小變大，再由大變小，如此循環不已。汽缸的頂端用汽缸蓋封閉。汽缸蓋上裝有進氣門和排氣門。通過進、排氣門的開閉實現向汽缸內充氣和向汽缸外排氣。進、排氣門的開閉由凸輪軸驅動。凸輪軸由曲軸通過齒形帶或齒輪驅動。
氣門挺桿的作用是將凸輪的推力傳給推桿或氣門。挺桿的類型有菌型、筒形非液壓式、筒形液壓式等，筒形液壓式等，筒形液壓式挺桿無氣門間隙，可以減少發動機的噪聲，但精度要求嚴、成本高，多應用于高級轎車發動機。
氣門推桿的作用是將挺桿的推力傳給搖臂，驅動氣門開啟。推桿的上、下端頭經熱處理并拋磨，以提高耐磨性；桿身有實心和空心兩種。