柴油機是用柴油作燃料的內燃機。柴油機屬于壓縮點火式發動機，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。然后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，推動活塞并通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年研制成功可供實用的四沖程柴油機。由于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，只用于固定作業。二十世紀初，開始用于船舶，1905年制成第一臺船用二沖程柴油機。
    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年代后期出現了高速柴油機，并開始用于汽車。到了50年代，一些結構性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。特別是在采用了廢氣渦輪增壓技術以后，柴油機已成為現代動力機械中最重要的部分。
    柴油機可按不同特征分類：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。柴油機如采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，可加入添加劑提高十六烷值，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、緩燃期和后燃期四個階段。
    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參數，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于混合的速度。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，而拖到膨脹行程的后期放出的熱量不能得到充分利用，因此應盡量避免燃料在后燃期燃燒。
    燃燒室的優劣對柴油機的性能有決定性的作用，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。前兩類屬于直接噴射式燃燒室；后兩類屬于分隔式燃燒室。