因其主要发明者为R.狄塞尔（Rudolf Diesel，1858～1913）而又被称为狄塞尔引擎。

吸入柴油机气缸内的空气因活塞的运动而受到较高程度的压缩，达到500～700℃的高温。同时借助喷油设备（喷油泵、高压油管、喷油器等），在接近压缩终了时，将燃油以雾状喷入燃烧室，与高温高压的空气混合形成可燃混合气并达到自燃温度，随即自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。

狄塞尔在1897年研制成功可供实用的四冲程柴油机。由于它明显提高了热效率而引起人们的重视。起初，柴油机用空气喷射燃料，附属装置庞大笨重，只用于固定作业。20世纪初开始用于船舶。1905年制成第一台船用二冲程柴油机。1922年，德国人R.A.博世（Robert Bosch，1861～1942）发明机械喷射装置，随后逐渐替代空气喷射。20世纪20年代后期出现了高速柴油机，并开始用于汽车。到20世纪50年代，一些结构、性能更加完善的新型柴油机系列发展起来，从此柴油机进入了专业化大量生产阶段。特别是在采用了废气涡轮增压及中冷技术以后，柴油机已成为现代动力机械中最重要的部分而被广泛应用于农业、工业、交通运输和国防等部门。自20世纪80年代初以来，电子技术、计算机技术的发展使以电控燃油喷射技术为核心的电控技术在柴油机上得到广泛应用，从而进一步提高了柴油机的性能。

柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机。按燃烧室型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等。按气缸进气方式分为增压和非增压柴油机，按冲程可分为二冲程、四冲程柴油机。按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置活塞式柴油机等。按用途分为汽车、工程机械、拖拉机、船舶、车辆、发电、其他工业用和农业用柴油机等。

根据气缸压力和温度的变化，柴油机燃烧过程一般分为着火延迟期（滞燃期）、速燃期、缓燃期和后燃期4个阶段。

①着火延迟期（滞燃期）。从燃料开始喷射到着火，其间经过喷散、加热蒸发、扩散、混合（又称预混合）和初期氧化等一系列物理的和化学的准备过程。它是燃烧过程的一个重要参数，对燃烧放热过程的特性有直接影响。尤其是高速柴油机燃烧过程时间很短，着火延迟期便相对较长，易使工作过程粗暴，燃烧噪声大。为此，需要缩短着火延迟期和减少在此期间内形成的可燃混合气量。

②速燃期。从开始着火至达到最高燃烧压力，在着火延迟期内喷入燃烧室的燃料，在速燃期内几乎是同时燃烧的，所以放热速度很高，压力升高也特别快。速燃期内主要是预混合气的燃烧，又称预混合燃烧。

③缓燃期。从最高燃烧压力至达到最高燃烧温度，在这个阶段中燃料的燃烧取决于混合的速度。因此，加强燃烧室内的空气扰动和加速空气与燃料的混合，对保证燃料在上止点附近迅速而完全燃烧有重要作用。

④后燃期。从达到最高燃烧温度到燃料基本燃完，燃烧基本结束为止，由于柴油机的混合和燃烧时间很短，以致有些燃料不能在上止点附近及时烧完而拖到膨胀行程的后期，放出的热量未能得到充分利用，而使排气温度高，经济性下降，因此应尽量避免燃料在后燃期燃烧。在缓燃期和后燃期内，扩散混合和燃烧重叠发生，亦称扩散燃烧。

柴油机混合气体形成和燃烧过程的完善程度受油料、喷油雾化质量、气流运动、燃烧室形状、大气状况，运转条件等因素的综合影响。其中供油系统、气流运动和燃烧室结构三方面的优化配合最为关键。这种优化配合旨在通过有效控制预混合燃烧和扩散燃烧，来达到高效率和低排放（氮氧化物、颗粒物等）。

燃烧室（见图）的优劣对柴油机的性能有决定性的作用，因此它是柴油机设计的关键。燃烧室按组织燃烧过程的特点和结构不同分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式4类。前两类属于直接喷射式燃烧室，后两类属于分隔式燃烧室。

柴油机燃烧室示意图

①开式燃烧室。低速柴油机和部分中、高速柴油机主要用无涡流的开式燃烧室。燃烧室由气缸盖底面和活塞顶面形成具有一定形状的整体空间。用多孔喷油器（6～10孔）能使燃油雾化良好，并均匀分布在燃烧室空间。因此，开式燃烧室中的燃烧属于典型的空间式燃烧过程，要求燃烧室与油束形状和分布相配合。一般不组织进气涡流或只产生微弱涡流。它的优点是燃烧室形状简单，结构紧凑，散热损失及流动损失小，燃料消耗率低，起动容易；缺点是燃料雾化要求高，难以适应变转速工作。

②半开式燃烧室。中小型高速柴油机大多采用有涡流的半开式燃烧室。这种燃烧室的主要部分在活塞顶部的凹坑内，另一部分则为活塞顶面以上的空间。凹坑的形状不同又分为多种类型，主要有ω型燃烧室、油膜式燃烧室和复合式燃烧室等。

③ω型燃烧室。一般将活塞顶上的凹坑加深，口部减小呈ω形，是典型的半分式燃烧室。喷油器为3～7孔。切向进气道或螺旋进气道造成进气涡流，在压缩行程中使大部分有涡流的空气进入燃烧室内增强涡流，促进混合气的形成和燃烧。为了适应低燃料消耗率和低有害物质排放的要求，在此基础上发展了很多不同形状的变形燃烧室，如盆形燃烧室、双收口平底燃烧室、哑铃形燃烧室和花瓣形燃烧室等。这种燃烧室能适应高速和变速工作，并且燃料消耗率低，起动容易。但是较粗暴，排气中氮氧化物含量较多，对喷油系统要求也高。

④油膜式燃烧室。1956年由联邦德国J.S.莫勒所发明。燃烧室位于活塞顶内，呈球形燃料喷向燃烧室壁面，大部分燃油在强涡流作用下喷涂在燃烧室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油雾化分布在燃烧室空间并首先着火，随后即引燃从壁面上蒸发的燃料。这种燃烧室也称为油膜式燃烧系统，其中的燃烧过程又称为M燃烧过程。M燃烧过程可使工作过程柔和，燃烧完全，声轻无烟，并可使用轻质燃料。缺点是低温时起动较困难，低负荷时油膜蒸发困难，故排气中未燃的碳氢化合物含量略高。

⑤复合式燃烧室。1964年由中国史绍熙等发明。燃烧室在活塞顶内呈深盆形，口部略有收缩，用特殊形状的进气道形成进气涡流，采用单孔轴针式喷油器。喷油器轴线与燃烧室壁面基本平行。燃料喷向燃烧室的周边空间。在涡流作用下，粗大的油粒散落在燃烧室壁面上形成油膜，细小的油粒在空间与空气混合。“油膜”部分和“空间”混合部分的比例可随柴油机工况而变化。当转速较高时，燃烧室涡流速度高，壁面上的油膜燃料量增多，具有油膜燃烧的特点；而在低转速和起动时，涡流速度低，空间混合的燃料量增多，这时具有空间式燃烧的特点，能改善冷起动性能。这种燃烧室把油膜蒸发混合燃烧与空间混合燃烧合理地结合起来，兼有两者的优点，故又称为复合式燃烧系统。其工作过程柔和，可燃用多种燃料，对喷油系统要求低，而且起动容易。缺点是低负荷排气中未燃的碳氢化合物含量较高。

⑥预燃室式燃烧室。由预燃室和主燃烧室两部分组成。预燃室在气缸盖内，占总压缩容积的25%～40%，有一个或数个通孔与主燃烧室连通。燃料喷入预燃室中，着火后部分燃料燃烧，将未燃的混合物高速喷入主燃烧室，与空气进一步混合燃烧。这种燃烧室适用于中小功率柴油机。

⑦涡流室式燃烧室。由涡流室和主燃烧室组成。涡流室位于气缸盖上，呈球形或倒钟形，占总压缩容积的50%～80%，有切向通道与主燃烧室相通。在压缩行程时压入涡流室的空气产生强烈的涡流运动，促使喷入其中的燃料与空气混合。着火后未燃混合物与燃气一起高速喷入主燃烧室，形成二次流动，进一步与主燃烧室内的空气混合燃烧。

涡流室式燃烧室和预燃室式燃烧室都用轴针式喷油器，喷油压力较低，工作可靠；由于涡流室内涡流随转速增高而加强，柴油机高转速时柴油和空气仍能很好地混合。所以涡流室对转速变化不敏感、高速性能好。涡流室式柴油机的转速可达5000转/分，工作过程柔和，排气中有害成分较少。但散热损失和气体流动损失大，而且后燃较严重，故燃料消耗率较高；冷车起动困难，往往需要加装预热塞。

按柴油机负荷情况精确计量燃油并适时将其以高的压力喷入燃烧室的装置。喷入的油束与燃烧方式相匹配，使燃油与空气形成有利于燃烧的可燃混合气。这个系统对柴油机的起动、怠速、功率、油耗、噪声和排污等都有重大影响。按系统的构成形式，可分泵—管—嘴系统、泵喷嘴系统和共轨系统3大类。按系统的控制方式，可分为机械控制和电子控制（电控）两大类。

①泵—管—嘴系统。至今应用最广、最成熟的柴油机燃油供给系统。主要由输油泵、喷油泵、高压油管、喷油器等组成。喷油泵按工作原理和结构形式，可分为柱塞式喷油泵和分配式喷油泵。

②泵喷嘴系统。将产生高压的喷油泵与喷油器合成一体，取消了高压油管，由装在发动机气缸盖上的凸轮—摇臂机构直接驱动油泵柱塞。

③共轨系统。在喷油泵与各缸喷油器之间设有蓄压油轨，使喷油压力的产生与油泵泵油互不关联。喷油压力的选择在一定限度内不受发动机转速和喷油量的影响。根据共轨中压力的大小又分为高压共轨系统和中压共轨系统。如果配以电子控制就成为电控共轨系统。

柴油机以稀燃为主，省油效率较佳，可以减少二氧化碳的排放；中低速时即可提供高扭力，应用范围广。由于柴油主要成分为长碳链有机化合物，燃烧后易产生碳粒和氮氧化物。使用高品质柴油与排放控制技术可以大幅降低污染，但同时大幅提高成本，且有损燃油经济性。

20世纪70年代以来，最大的柴油机为船用低速二冲程柴油机，气缸直径达1060毫米，功率为40600千瓦，重达2000吨。近年来中速机也有所发展，气缸直径不超过650毫米，功率可达24000千瓦。中小功率柴油机的高速化和升功率的不断提高，使柴油机可应用于轿车上，转速达4000～5000转/分，活塞平均速度在12～14米/秒以上，升功率已达42～58千瓦/升。一般非增压柴油机的平均有效压力可达0.75～0.85兆帕，增压柴油机则最高可达2.1兆帕以上。20世纪70年代以后，研制的超压比增压柴油机有效压力更高，甚至达3.0兆帕以上。随着强化程度的提高，柴油机单位功率的重量也显著降低，轻型汽车用柴油机已达3.35～4.7千克/千瓦。由于环保和节能要求日益提高，各国均重视改善燃烧过程，提高燃油喷射压力，广泛采用废气涡轮增压和中冷技术，并提高增压度。特别是微电子技术、传感器、控制技术的发展，使电控技术进入了实用阶段。电控柴油机在20世纪80年代已投入市场。柴油机电控内容包含喷油定时控制，喷油压力、喷油量和喷油规律控制，怠速控制，进排气系统和废气再循环控制，以及自诊断系统及巡航控制等。20世纪90年代意大利菲亚特汽车发明创新的高压共轨柴油引擎，用电子控制的手段精确控制进入气缸的柴油供给量和供油时刻，且由于其供油管内的压力更高，进而提升燃料雾化的效果，燃烧更完全更干净，噪声与振动也大幅减少，成为新一代柴油引擎的标准设计。