根据德国联邦环境署的调查，目前柴油机的微粒排放是城市地区与大气污染造成癌症的主要原因。在城市地区有必要减少99%的柴油机微粒物排放。

柴油机排烟有白烟、蓝烟、黑烟三种，它们都是由悬浮在排气中的液态和固态颗粒所引起的。

白烟一般是直径在1цm以下的微粒，多在寒冷天气、冷启动和怠速工况下因气缸中温度较低发火不良，燃油不能完全燃烧，则以液滴颗粒状态下排出而形成白烟。

蓝烟是燃油或润滑油在几乎没有燃烧或部分燃烧而处于分解状态下的液态微粒的排出物，是直径更细小（在0.4цm以下）的粒子。

黑烟通常是在柴油机大负荷时产生。此时，由于喷入的燃料较多，混合气形成不均匀，不可避免地出现局部空气不足的燃烧，燃油在高温缺氧的条件下，易于裂解，聚合形成碳烟。柴油机排放的黑烟是一种聚合体，85％以上是碳，还有少量的氧、氢、灰分和一系列多环芳香烃化合物。黑烟有臭味并形成烟雾。

当柴油车冒蓝烟时，说明发动机已经处于不正常工作状态，需要进行维修保养；而当柴油车冒黑烟时，该车排气已经超过国家现行标准，应当限期维修并依法处罚。

柴油机的燃料喷射是在燃烧开始前的瞬间进行的，在燃烧开始后，燃烧室内还存在大量的油滴群，这些油滴群处于氧气不足状态中，在燃烧高温焙烤下碳化形成烟粒子。一般烟粒子都能在随后的燃烧中接触到空气而完全燃烧，使排气无烟。但如果气缸内空气不足，混合过程进行缓慢，在后面的进程中由于温度降低，烟粒子不能完全燃烧则会凝聚变大成为炭烟排出。当车辆在大负荷下时，如，车辆急速加油、超车、满载或超载状态，由于燃烧室温度高、喷入的燃料多、混合气形成不均匀，不可避免地出现局部高温缺氧，燃油裂解、聚合、碳化，形成黑烟。要解决黑烟生成，可通过改善混合气形成、减少局部缺氧、降低燃烧室高温、改进燃烧室来解决。如采用电控喷油技术、增压中冷、采用低十六烷值柴油、柴油中加入添加剂、降低功率使用、加装催化转化器、加装颗粒捕集器等。

柴油机中氮氧化物的形成是不可避免的。氮氧化物生成的3个条件是:燃烧室内有过剩的氧气、燃烧过程的高温和高温持续时间。由于柴油机混合气形成的特点，在燃烧室内局部总会存在有过量的氧气，这就给氮氧化物生成提供了一个条件。柴油机压缩比较高，膨胀过程进行得很充分，使柴油机燃烧室内最高温度与最低温度相差很大。燃烧最高温度越高，生成的氮氧化物量也就越多。最高温度持续时间越长，生成氮氧化物数量越多。柴油机通常转速较低，最高温度持续时间较长，氮氧化物生成量较多。可以在燃烧过程中控制燃烧最高温度、过量的空气量和空气在高温中停留的时间来限制氮氧化物的生成量。目前主要控制措施有:采用电控喷油技术、延迟喷油时间、废气再循环(EGR)、增压中冷、采用低十六烷值柴油、降低功率使用(大功率发动机用于较小车型)、改变气门重叠角等机内净化技术。同时也可以采用催化转化器技术进行后处理。