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，并均勻分布在燃燒室空間。因此，開式燃燒室中的燃燒屬于典型的空間式燃燒過程，要求燃燒室與油束形狀和分布相配合。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，難于適應變轉速工作。
    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類型，主要有油膜式燃燒室和復合式燃燒室等。
    油膜式燃燒室是1956年由德國的莫勒所發明。燃燒室位于活塞頂內，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涂在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分布在燃燒室空間并首先著火，隨后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，并可使用輕質燃料；缺點是低溫時起動較困難。
    復合式燃燒室是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，采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，能改善冷起動性能。
    復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，故又稱為復合式燃燒系統，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，占壓縮容積的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，著火后部分燃料燃燒，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。這種燃燒室適用于中小功率柴油機。
    渦流式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位于氣缸蓋上，呈球形或倒鐘形，占總壓縮容積的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。著火后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；由于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，而且后燃較嚴重，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，其應用范圍越來越廣。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制品燃料。此外，降低摩擦損失、廣泛采用廢氣渦輪增壓并提高增壓度、進一步輕量化、高速化、低油耗、低噪聲和低污染，都是柴油機的重要發展方向。