柴油機是用柴油作燃料的內燃機。柴油機屬於壓縮點火式發動機，它又常以主要發明者狄塞爾的名字被稱為狄塞爾引擎。
柴油在工作時，吸入柴油機氣缸內的空氣，因活塞的運動而受到較高程度的壓縮，達到500～700℃的高溫。然後燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上，推動活塞並透過連桿和曲軸轉換為旋轉的機械功。
法國出生的德裔工程師狄塞爾，在1897年研製成功可供實用的四衝程柴油機。由於它明顯地提高了熱效率而引起人們的重視。起初，柴油機用空氣噴射燃料，附屬裝置龐大笨重，只用於固定作業。二十世紀初，開始用於船舶，1905年製成第一臺船用二衝程柴油機。
1922年，德國的博施發明機械噴射裝置，逐漸替代了空氣噴射。二十世紀20年代後期出現了高速柴油機，並開始用於汽車。到了50年代，一些結構效能更加完善的新型系列化、通用化的柴油機發展起來，從此柴油機進入了專業化大量生產階段。特別是在採用了廢氣渦輪增壓技術以後，柴油機已成為現代動力機械中最重要的部分。
柴油機可按不同特徵分類：按轉速分為高速、中速和低速柴油機；按燃燒室的型式分為直接噴射式、渦流室式和預燃室式柴油機等；按氣缸進氣方式分為增壓和非增壓柴油機；按氣體壓力作用方式分為單作用式、雙作用式和對置活塞式柴油機等；按用途分為船用柴油機、機車柴油機等。
柴油機燃料主要是柴油，通常高速柴油機用輕柴油；中、低速柴油機用輕柴油或重柴油。柴油機用噴油泵和噴油器將燃油以高壓噴入氣缸，噴入的燃油呈霧狀，與空氣混合燃燒。因此柴油機可用揮發性較差的重質燃料或劣質燃料，如原油和渣油等。
在燃用原油和渣油時，除須濾除雜質和水分外，還要對供油系統進行預熱保溫，降低粘度，以便輸送和噴射。柴油機如採用某種合適的燃燒室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等輕質燃料。為了改善輕質燃料的著火性，可加入新增劑提高十六烷值，或與柴油混合使用。一些氣體燃料，如天然氣、液化石油氣、沼氣和發生爐煤氣等也可作為柴油機的燃料，但這時通常以氣體燃料為主，以少量柴油引燃，這種發動機稱為雙燃料內燃機。
柴油發動機的燃燒過程一般分為著火延遲期、速燃期、緩燃期和後燃期四個階段。
著火延遲期是指從燃料開始噴射到著火，其間經過噴散、加熱蒸發、擴散、混合和初期氧化等一系列物理的和化學的準備過程。它是燃燒過程的一個重要引數，對燃燒放熱過程的特性有直接影響。
在著火延遲期內噴入燃燒室的燃料，在速燃期內幾乎是同時燃燒的，所以放熱速度很高，壓力升高也特別快。
緩燃期階段中燃料的燃燒取決於混合的速度。因此，加強燃燒室內的空氣擾動和加速空氣與燃料的混合，對保證燃料在上止點附近迅速而完全地燃燒有重要作用。
柴油機的混合和燃燒時間很短，以致有些燃料不能在上止點附近及時燒完，而拖到膨脹行程的後期放出的熱量不能得到充分利用，因此應儘量避免燃料在後燃期燃燒。
燃燒室的優劣對柴油機的效能有決定性的作用，因此是柴油機設計的關鍵。燃燒室按組織燃燒過程的特點和結構不同分為開式、半開式、預燃室式和渦流室式四類。前兩類屬於直接噴射式燃燒室；後兩類屬於分隔式燃燒室。
低速柴油機和部分中、高速柴油機主要用無渦流的開式燃燒室。燃燒室由氣缸蓋底面和活塞頂面形成，具有一定形狀的整體空間。多孔噴油器(6～10孔)能使燃油霧化良好，並均勻分佈在燃燒室空間。因此，開式燃燒室中的燃燒屬於典型的空間式燃燒過程，要求燃燒室與油束形狀和分佈相配合。它的優點是燃料消耗率低，起動容易；缺點是燃料霧化要求高，難於適應變轉速工作。
小型高速柴油機大多采用有渦流的半開式燃燒室。這種燃燒室又分為多種型別，主要有油膜式燃燒室和複合式燃燒室等。
油膜式燃燒室是1956年由德國的莫勒所發明。燃燒室位於活塞頂內，呈球形。燃料噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強渦流作用下噴塗在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分佈在燃燒室空間並首先著火，隨後即引燃從壁面上蒸發的燃料。這種燃燒室可使工作過程柔和，燃燒完全，聲輕無煙，並可使用輕質燃料；缺點是低溫時起動較困難。
複合式燃燒室是1964年由中國的史紹熙等發明，燃燒室在活塞頂內呈深盆形，口部略有收縮，用特殊形狀的進氣道形成進氣渦流，採用單孔軸針式噴油器。噴油器軸線與燃燒室壁面基本平行，燃料噴向燃燒室的周邊空間。在渦流作用下，粗大的油粒散落在燃燒室壁面上形成油膜，細小的油粒在空間與空氣混合。當轉速較高時，燃燒室渦流速度高，壁面上的油膜燃料增多，具有油膜燃燒的特點；而在低轉速和起動時，渦流速度低，空間混合的燃料量增多，具有空間式燃燒的特點，能改善冷起動效能。
複合式燃燒室把油膜蒸發混合燃燒與空間混合燃燒合理地結合起來，兼有兩者的優點，故又稱為複合式燃燒系統，其工作過程柔和，可燃用多種燃料，對噴油系統要求低，而且起動容易。缺點是低負荷排氣中未燃的碳氫化物含量較高。
預燃式燃燒室由預燃室和主燃燒室兩部分組成。預燃室在氣缸蓋內，佔壓縮容積的25～40％，有一個或數個通孔與主燃燒室連通。燃料噴入預燃室中，著火後部分燃料燃燒，將未燃的混合物高速噴入主燃燒室，與空氣進一步混合燃燒。這種燃燒室適用於中小功率柴油機。
渦流式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位於氣缸蓋上，呈球形或倒鐘形，佔總壓縮容積的50～80％，有切向通道與主燃燒室相通。在壓縮行程時，壓入渦流室的空氣產生強烈的渦流運動，促使噴入其中的燃料與空氣混合。著火後混合物流入主燃燒室，形成二次流動，進一步與主燃燒室內的空氣混合燃燒。
渦流室燃燒室和預燃室燃燒室都用軸針式噴油器，噴油壓力較低，工作可靠；由於渦流室內渦流隨轉速增高而加強，柴油機高轉速時柴油和空氣仍能很好地混合。
渦流室式柴油機的轉速可達4000轉/分以上，工作過程柔和，排氣中有害成分較少。但散熱損失和氣體流動損失大，而且後燃較嚴重，故燃料消耗率較高；冷車起動困難，往往需要加裝預熱塞。
柴油機具有熱效率高的顯著優點，其應用範圍越來越廣。隨著強化程度的提高，柴油機單位功率的重量也顯著降低。為了節能，各國都在注重改善燃燒過程，研究燃用低質燃油和非石油製品燃料。此外，降低摩擦損失、廣泛採用廢氣渦輪增壓並提高增壓度、進一步輕量化、高速化、低油耗、低噪聲和低汙染，都是柴油機的重要發展方向。
柴油機是用柴油作燃料的內燃機。柴油機屬於壓縮點火式發動機，它又常以主要發明者狄塞爾的名字被稱為狄塞爾引擎。
柴油在工作時，吸入柴油機氣缸內的空氣，因活塞的運動而受到較高程度的壓縮，達到500～700℃的高溫。然後燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上，推動活塞並透過連桿和曲軸轉換為旋轉的機械功。
法國出生的德裔工程師狄塞爾，在1897年研製成功可供實用的四衝程柴油機。由於它明顯地提高了熱效率而引起人們的重視。起初，柴油機用空氣噴射燃料，附屬裝置龐大笨重，只用於固定作業。二十世紀初，開始用於船舶，1905年製成第一臺船用二衝程柴油機。
1922年，德國的博施發明機械噴射裝置，逐漸替代了空氣噴射。二十世紀20年代後期出現了高速柴油機，並開始用於汽車。到了50年代，一些結構效能更加完善的新型系列化、通用化的柴油機發展起來，從此柴油機進入了專業化大量生產階段。特別是在採用了廢氣渦輪增壓技術以後，柴油機已成為現代動力機械中最重要的部分。
柴油機可按不同特徵分類：按轉速分為高速、中速和低速柴油機；按燃燒室的型式分為直接噴射式、渦流室式和預燃室式柴油機等；按氣缸進氣方式分為增壓和非增壓柴油機；按氣體壓力作用方式分為單作用式、雙作用式和對置活塞式柴油機等；按用途分為船用柴油機、機車柴油機等。
柴油機燃料主要是柴油，通常高速柴油機用輕柴油；中、低速柴油機用輕柴油或重柴油。柴油機用噴油泵和噴油器將燃油以高壓噴入氣缸，噴入的燃油呈霧狀，與空氣混合燃燒。因此柴油機可用揮發性較差的重質燃料或劣質燃料，如原油和渣油等。
在燃用原油和渣油時，除須濾除雜質和水分外，還要對供油系統進行預熱保溫，降低粘度，以便輸送和噴射。柴油機如採用某種合適的燃燒室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等輕質燃料。為了改善輕質燃料的著火性，可加入新增劑提高十六烷值，或與柴油混合使用。一些氣體燃料，如天然氣、液化石油氣、沼氣和發生爐煤氣等也可作為柴油機的燃料，但這時通常以氣體燃料為主，以少量柴油引燃，這種發動機稱為雙燃料內燃機。
柴油發動機的燃燒過程一般分為著火延遲期、速燃期、緩燃期和後燃期四個階段。
著火延遲期是指從燃料開始噴射到著火，其間經過噴散、加熱蒸發、擴散、混合和初期氧化等一系列物理的和化學的準備過程。它是燃燒過程的一個重要引數，對燃燒放熱過程的特性有直接影響。
在著火延遲期內噴入燃燒室的燃料，在速燃期內幾乎是同時燃燒的，所以放熱速度很高，壓力升高也特別快。
緩燃期階段中燃料的燃燒取決於混合的速度。因此，加強燃燒室內的空氣擾動和加速空氣與燃料的混合，對保證燃料在上止點附近迅速而完全地燃燒有重要作用。
柴油機的混合和燃燒時間很短，以致有些燃料不能在上止點附近及時燒完，而拖到膨脹行程的後期放出的熱量不能得到充分利用，因此應儘量避免燃料在後燃期燃燒。
燃燒室的優劣對柴油機的效能有決定性的作用，因此是柴油機設計的關鍵。燃燒室按組織燃燒過程的特點和結構不同分為開式、半開式、預燃室式和渦流室式四類。前兩類屬於直接噴射式燃燒室；後兩類屬於分隔式燃燒室。
低速柴油機和部分中、高速柴油機主要用無渦流的開式燃燒室。燃燒室由氣缸蓋底面和活塞頂面形成，具有一定形狀的整體空間。多孔噴油器(6～10孔)能使燃油霧化良好，並均勻分佈在燃燒室空間。因此，開式燃燒室中的燃燒屬於典型的空間式燃燒過程，要求燃燒室與油束形狀和分佈相配合。它的優點是燃料消耗率低，起動容易；缺點是燃料霧化要求高，難於適應變轉速工作。
小型高速柴油機大多采用有渦流的半開式燃燒室。這種燃燒室又分為多種型別，主要有油膜式燃燒室和複合式燃燒室等。
油膜式燃燒室是1956年由德國的莫勒所發明。燃燒室位於活塞頂內，呈球形。燃料噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強渦流作用下噴塗在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分佈在燃燒室空間並首先著火，隨後即引燃從壁面上蒸發的燃料。這種燃燒室可使工作過程柔和，燃燒完全，聲輕無煙，並可使用輕質燃料；缺點是低溫時起動較困難。
複合式燃燒室是1964年由中國的史紹熙等發明，燃燒室在活塞頂內呈深盆形，口部略有收縮，用特殊形狀的進氣道形成進氣渦流，採用單孔軸針式噴油器。噴油器軸線與燃燒室壁面基本平行，燃料噴向燃燒室的周邊空間。在渦流作用下，粗大的油粒散落在燃燒室壁面上形成油膜，細小的油粒在空間與空氣混合。當轉速較高時，燃燒室渦流速度高，壁面上的油膜燃料增多，具有油膜燃燒的特點；而在低轉速和起動時，渦流速度低，空間混合的燃料量增多，具有空間式燃燒的特點，能改善冷起動效能。
複合式燃燒室把油膜蒸發混合燃燒與空間混合燃燒合理地結合起來，兼有兩者的優點，故又稱為複合式燃燒系統，其工作過程柔和，可燃用多種燃料，對噴油系統要求低，而且起動容易。缺點是低負荷排氣中未燃的碳氫化物含量較高。
預燃式燃燒室由預燃室和主燃燒室兩部分組成。預燃室在氣缸蓋內，佔壓縮容積的25～40％，有一個或數個通孔與主燃燒室連通。燃料噴入預燃室中，著火後部分燃料燃燒，將未燃的混合物高速噴入主燃燒室，與空氣進一步混合燃燒。這種燃燒室適用於中小功率柴油機。
渦流式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位於氣缸蓋上，呈球形或倒鐘形，佔總壓縮容積的50～80％，有切向通道與主燃燒室相通。在壓縮行程時，壓入渦流室的空氣產生強烈的渦流運動，促使噴入其中的燃料與空氣混合。著火後混合物流入主燃燒室，形成二次流動，進一步與主燃燒室內的空氣混合燃燒。
渦流室燃燒室和預燃室燃燒室都用軸針式噴油器，噴油壓力較低，工作可靠；由於渦流室內渦流隨轉速增高而加強，柴油機高轉速時柴油和空氣仍能很好地混合。
渦流室式柴油機的轉速可達4000轉/分以上，工作過程柔和，排氣中有害成分較少。但散熱損失和氣體流動損失大，而且後燃較嚴重，故燃料消耗率較高；冷車起動困難，往往需要加裝預熱塞。
柴油機具有熱效率高的顯著優點，其應用範圍越來越廣。隨著強化程度的提高，柴油機單位功率的重量也顯著降低。為了節能，各國都在注重改善燃燒過程，研究燃用低質燃油和非石油製品燃料。此外，降低摩擦損失、廣泛採用廢氣渦輪增壓並提高增壓度、進一步輕量化、高速化、低油耗、低噪聲和低汙染，都是柴油機的重要發展方向。