不管是汽油还是柴油，最终都要在气缸内燃烧才能产生膨胀力推动活塞做功。而汽油机和柴油机最大的区别也是最本质的区别就在于混合气的燃烧原理了。
汽油机：预制混合气，火花塞点燃；汽油机从进气冲程开始直到火花塞点火前都在完成着同一个任务：制作适合火花塞点燃的混合气。因为汽油自燃温度很高，而火花塞的电弧中心温度可以达到上千摄氏度，但是这个高温区域实在是太小了，所以汽油机只能先让汽油蒸发形成足够浓度的油气混合气，然后火花塞引燃靠近电弧的混合气，产生火核，火核再继续引燃其他混合气，使火焰向外传播，最终完成全部燃烧。由于混合气燃烧的速度很快，几乎接近爆炸的速度，所以汽油机燃烧的速度非常快。因此汽油机可以达到很高的转速。
柴油机则不同，柴油燃点低，两百多摄氏度就会着火。柴油机进气冲程只吸气，吸饱了气开始大力压缩，把满满一气缸的空气压缩到很小的一团，压缩冲程末端剧烈的压缩使空气温度骤然上升，这时候高压喷油嘴开始向气缸里喷油，由于喷油压力大，柴油雾化相对充分，先喷入气缸的柴油雾滴受热挥发与空气混合然后开始燃烧，燃烧产生的高温促使后面的柴油液滴加速挥发、混合、燃烧。
所以柴油机工作时柴油是一边喷一边烧，燃烧速度比汽油机慢了很多，所以柴油机转速一般不会太高，否则柴油都来不及燃烧了。同时由于汽油机燃烧快，所以在做功冲程气缸内压力变化速度也更快。而柴油机燃烧慢，所以在做功冲程很长一段时间内气缸内都能保持足够高的压力，燃烧能量利用率更高，因此柴油机热效率更高。除此之外汽油机有节气门，而柴油机没有。因为汽油机是靠火花塞点燃的，只要混合气混合充分，不管量多还是少都可以被火花塞点燃。所以汽油机用节气门控制进气量来调节发动机输出功率。
而柴油机没有节气门，因为柴油机是靠压缩空气产生的高温引燃柴油的，如果进气量不够的话压缩冲程气缸里达不到足够的温度，所以柴油机每个进气冲程都能最大程度地吸入空气，然后靠调节喷油量来控制输出动力。现实中很多柴油机也装有类似节气门的东西，那主要是熄火时减少震动的，并不是真正意义上的节气门。
