柴油机燃料主要是柴油，通常高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机用轻柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷入的燃油呈雾状，与空气混合燃烧。因此柴油机可用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料，如原油和渣油等。
在燃用原油和渣油时，除须滤除杂质和水分外，还要对供油系统进行预热保温，降低粘度，以便输送和喷射。柴油机如采用某种合适的燃烧室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等轻质燃料。为了改善轻质燃料的着火性，可加入添加剂提高十六烷值，或与柴油混合使用。一些气体燃料，如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气等也可作为柴油机的燃料，但这时通常以气体燃料为主，以少量柴油引燃，这种发动机称为双燃料内燃机。
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