柴油機的效率為34%-45%。柴油的熱效率比汽油高，柴油的熱值更高，所以燃燒同樣質量體積釋放的能量更多，做功沖程做的功也會更多。
柴油機的壓縮比會高於汽油機，而內燃機的壓縮比更高，其工作效率也會更高。柴油機之所以壓縮比高於汽油機，是因為柴油機在壓縮時只有空氣體被壓縮，即使壓縮比很高，也不會出現過早爆燃的情況。而且柴油機是依靠壓縮空氣體的溫度來瞬間點燃噴射的燃油，所以柴油機需要將空氣體壓縮到柴油自燃溫度以上。
柴油發動機需要更多的壓縮來提高溫度。壓縮比直接關系到發動機的效率和扭矩，所以壓縮比高的柴油機可以輸出更大的扭矩。
柴油機的特點是稀燃，柴油機的空燃燒比可以達到18:1-70:1之間。通過稀薄燃燒，更多的空氣體可以用來膨脹做有效功，所以發動機的效率會更高。要達到這樣的效果，需要渦輪增壓器的幫助，利用渦輪壓入更多空的氣體進行高效燃燒。
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