汽油和柴油作为燃料的性质差异决定了汽油机和柴油机在混合气形成、着火和燃烧上的差异，从而也决定了柴油机的结构和运行的一些特点。
汽油机和柴油机在混合气形成上的差异
混合气的形成有空间雾化混合和油膜蒸发混合两种基本方式。空间雾化混合是将柴油高压喷向燃烧室空间，形成雾状，与空气进行混合。为了使混合均匀，要求喷出的燃油与燃烧室形状相配合，并充分利用燃烧室中空气的运动。油膜蒸发混合是将大部分柴油喷射到燃烧室壁面上，形成一层油膜，受热蒸发，在燃烧室中强烈的旋转气流作用下，燃料蒸气与空气形成均匀的可燃混合气。在汽、柴油实际喷射中，两种混合方式都兼而有之，只是多少、主次有所不同。
汽油蒸发性较好，主要依靠蒸发，可以采用缸外混合的方式，混合气形成时间较为充分。汽油机吸气行程吸入的是汽油与空气的均质混合气。汽油机燃油的雾化混合是在气缸外完成的，在缸内只有燃烧过程，对燃烧室结构要求比较少。
柴油蒸发性差，混合气形成主要依靠雾化，同时对混合环境温度要求较高，必须在温度较高的气缸内混合才能保证混合的有效性，所以柴油机的混合气形成发生在压缩行程的末尾，此时缸内压力较高，为了保证柴油雾化的效果，柴油喷射压力必须足够高。为了使混合均匀，要求喷出的燃油与燃烧室形状相配合，并充分利用燃烧室中空气的运动，所以柴油机燃烧室形状甚至进气道都不同于汽油机。
同时，柴油喷入气缸内立即混合并被炙热的压缩空气点燃，因而柴油混合气形成时间非常短暂，混合气亦不如汽油均匀。这一点决定了柴油机最高转速不如汽油机高，因为要为混合气形成留下更充分的时间。
柴油机没有浓混合气，更谈不上较长时间内形成理想均质混合气，这造成了柴油机无法如汽油机一样加装三元催化器以改善排气，同时也造成了柴油机和汽油机的排气污染成分大不相同。汽油机的主要污染物是CO、NOx和HC，燃用含铅汽油还会产生铅污染。柴油机最重要的排气污染物是微粒和NOx。
柴油机的这种混合气形成方式决定了其某些结构和运行特点。柴油蒸发不良，为了更好的雾化必须采用较高的喷油压力，所以柴油机的燃油升压和喷射机构远较汽油机庞大复杂。
发火方式的差异
汽油机采用点燃式，因为汽油自燃温度较高，若压燃必须采用比柴油机更高的压缩比，但此时汽油机会发生剧烈爆燃，无法平稳运行。
柴油自燃温度较低且稳定性好，可以采用压燃的方式。
从结构上看，柴油机较汽油机而言，不设点火系统，结构上有所简化，但压燃式的点火方式决定了柴油喷入气缸内一遇炙热空气后立即燃烧，决定了柴油机一边喷油、一边混合、一边燃烧、一边做功的工作方式。这种工作方式不同于汽油机先混合、再吸气、再压缩、再混合、再点火、再燃烧、再做功的工作方式。
前者喷油后各种过程交织混合在一起，其过程不再能灵活控制。后者各个过程工作步骤层次分明，易于控制。例如，柴油机不可能有点火正时控制的功能，柴油机和汽油机电控的方式、侧重点和难度也有不同。
汽油机和柴油机压缩比的差异
由于柴油机采用压燃方式，要求柴油机压缩比更大，这就决定了柴油机所受的机械负荷和热负荷大于汽油机，要求柴油机的机体结构强度大于汽油机。显而易见，这就解释了为什么一般柴油机比汽油机质量和体积更大，噪声和振动也较大。具体对比见表1。
柴油机和汽油机的比较
柴油机和汽油机的比较
由上述可知，柴油机压缩比大，所以热效率高，因此较汽油机省油，但由于柴油机要求燃油喷射压力高，混合燃烧做功过程组织困难，故柴油机发展一直滞后于汽油机。
客观地讲，柴油机确实存在着不少缺陷，其中最大的问题就是重量。柴油机气缸压力比汽油机高很多，因而柴油机的缸体要比汽油机粗壮许多。通常，柴油机的单位功率重量为汽油机的1.5～3倍。柴油机压缩比高，爆发压力也高，可达汽油机的1.5倍左右(不增压的情况下)。为承受高温高压，就要求结构结实，所以柴油机最初只是作为一种固定式发动机使用。
在同等排量下，柴油机的输出功率约为汽油机的1/3。因为柴油机把燃料直接喷入气缸，不能充分利用空气，相应功率输出低。假设汽油机的空气利用率为100％，那么柴油机仅为80％～90％。柴油机功率输出小的另一原因是压缩比大，发动机的摩擦损失比汽油机大。这种摩擦损失与转速成正比，不能期望通过增加转速来提高功率。转速最高的汽油机可达10000r/min以上(如赛车发动机)，而柴油机的最高转速却只有5000r/min。同时，早期的柴油机为压缩空气所使用的空气压缩机质量也非常大，这就使得柴油机整体上十分笨重，极不适应当时骨架还很娇小的汽车。
但柴油机拥有汽油机不可比拟的转矩优势，在功率相同时柴油机又拥有很大的燃油经济性优势，这就让人们并没有放弃它。
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