直喷式燃烧室是柴油机的核心燃烧组件，其密闭空间由气缸盖底面、活塞顶部凹坑及气缸套共同组成，燃油通过高压喷油器直接注入该统一空间形成混合气。依据活塞顶部凹坑形态可分为开式与半开式两类，其中开式燃烧室采用浅ω形或浅盆形设计，依赖高压多孔喷油器实现雾化混合；半开式则通过缩口结构强化空气涡流运动。该结构具备燃烧效率高、热损失小的特性，主要适配缸径大于140mm的大型低速柴油机，燃油消耗率较分隔式燃烧室降低10%-20%。

由气缸盖底面、活塞顶凹坑及缸套构成单一燃烧空间，活塞顶部凹坑容积占燃烧室总容积75%以上。开式燃烧室采用浅ω形或浅盆形凹坑，凹坑口径与活塞直径比超过0.7，燃烧室形状与油束扩散轨迹严格匹配。半开式燃烧室带有缩口设计，通过喉口直径调控空气运动强度，典型形态包含深ω形、U形及球形结构。

燃油通过7-12孔高压喷油器以100-200MPa压力直接喷入燃烧室，油束贯穿率控制在1.05左右以避免碰壁。开式燃烧室主要依赖燃油雾化质量，空气涡流强度弱（涡流比1.5-2.2）；半开式通过螺旋进气道产生进气涡流（涡流比2-4），配合压缩行程产生的挤压涡流促进油气混合。

燃油消耗率较分隔式燃烧室降低10%-20%，过量空气系数最佳工作区间为1.3-1.5。NOx排放量约为分隔式燃烧室的2倍，但微粒排放量显著降低。热效率提升源于燃烧室表面积与容积比减小，散热损失下降约15%。

适用于缸径超过140mm且转速低于1500r/min的大型低速柴油机，对燃油喷射系统精度要求严苛。半开式燃烧室因需兼顾高低转速工况下的涡流强度，适用转速范围较窄。

早期开式燃烧室采用无涡流设计，随着电控高压共轨技术发展，半开式燃烧室通过可变涡流控制系统实现更宽转速范围的高效燃烧。现代直喷系统集成压电式喷油器与燃烧室形状优化算法，将燃油碰壁率控制在理想范围内。