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內燃機車（英語：Internal combustion locomotive）是以內燃機作為原動力，通過傳動裝置驅動車輪轉動的機車，所使用的燃料由機車自身攜帶。多使用柴油動力，但也有汽油動力、天然氣動力、燃氣輪機、煤氣動力、苯動力、萘動力、煤油動力、汽油動力、氫動力等其它動力種類。[1][2][3][4]
苯機車是以苯為燃料的內燃機車。在1890年代至1900年代曾有多型以苯機車投入商業運營。一間名為「道依茨」的德國企業曾於1890年代末製造出在德國吉森的一處錳礦運用的實驗型苯燃料內燃機車。[5] 德國上烏瑟爾曾出產用於礦區和隧道工程使用的苯燃料內燃機車。[6] 1900年年代之後就逐漸被以汽油和柴油為燃料的內燃機車取代。
煤油機車是以煤油為燃料的內燃機車。煤油機車為全球最早的燃油機車，比包括柴油機車在內的任何燃油機車都要早些年誕生。
已知最早的煤油動力軌道交通車輛為戈特利布·戴姆勒於1887年研製的一型輕型軌道車，其在嚴格意義上並不屬於機車。[7]
1894年，英國赫爾河畔金斯敦的普里斯特曼兄弟公司為赫爾河畔金斯敦的赫爾港製造了一台煤油機車。該機車採用12馬力雙動船用發動機，轉速為300轉/分，使用4輪鐵路貨車底盤。由於功率輸出低，它一次只能牽引一節滿載的鐵路貨車，並沒有取得很大的成功。[8]
第一款實用型煤油機車為英國的理查德·霍恩斯比父子公司製造的「拉刻西斯號機車」（英文原名：Lachesis），1896年交付英國的皇家兵工廠鐵路。理查德·霍恩斯比父子公司曾於1896年至1903年間為英國軍隊製造過一批煤油機車。
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萘機車是以萘為燃料的內燃機車。「萘」（音同「奈」，英語：Naphthalene），舊稱艿，俗稱焦油腦，是一種多環芳香烴，可從煤焦油分離和石油提煉製得。1913年的法國曾測試以萘為燃料的內燃機車。因為各種原因以萘為燃料的內燃機車最終沒能普及。
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1913年時的萘機車。
汽油內燃機車是以汽油為燃料的內燃機車。1894年，德國研製成功了第一台汽油內燃機車。[9] 第一型實用型商用汽油內燃機車是1902年莫茲利動力公司為倫敦德普特福德牛類市場（Deptford Cattle Market）製造的機械傳動汽油內燃機車，其功率為80馬力，使用一台3缸縱置汽油發動機，配有雙速機械變速箱。[8][10]
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1902年由莫茲利動力公司製造的汽油機車。
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儘管在1914年之前即存在汽油機車，但直到一戰時期汽油機車才進入大批量運用階段。1916年，英國企業「鐵路機動車輛公司」開始生產「簡便」[註 1]品牌汽油機車，用於一戰時期的西方戰線，這批機車功率介乎20至40馬力，設有4個車輪，軌距為600毫米，採用機械傳動。[11] 當時的英國戰爭部還向「迪克—克爾聯合公司」以及「西屋英國」[註 2]訂購了一批功率更大的電力傳動汽油機車，這些電力傳動汽油機車使用「威廉·亨利·多爾曼公司「出品的45馬力4缸汽油發動機，發電機功率為30千瓦、轉速為1000轉/分鐘。[12] 協約國軍隊共計使用1216台機械傳動汽油機車和42台電力傳動汽油機車。一戰結束後，大批汽油機車被當作剩餘物資賣掉，並在小型工業鐵路上繼續發揮餘熱。「鐵路機動車輛公司」在之後的數十年裏仍繼續製造軌道交通車輛。[11] 因汽油用作鐵路機車燃料的成本過高，故汽油內燃機車最終未被普遍使用。[9]
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多數汽油機車為機械傳動汽油機車，使用機械傳動。最早的一批使用圓盤離合器或錐形離合器[13]並以機械變速箱驅動主軸或直接驅動，[14]中間經鏈條傳動[11]或經錐齒輪。[15]
電力傳動汽油機車是以汽油為燃料，採用電力傳動驅動車輪的內燃機車。其先通過內置汽油發電機發電，再通過多速牽引電動機驅動車輪，無需機械傳動所使用的變速箱。因其沒有機械傳動裝置，故擁有更平順的加減速表現。此外，動力可由多台引擎提供，這使得它擁有了更強的牽引控制性。然而，電力傳動汽油機車的發電機也存在價格偏貴、重量偏重以及因結構複雜而導致可維護性不及機械傳動的不足。[16]
柴油動力內燃機車目前是內燃機車中最常用的動力來源，由柴油機驅動。柴油機車在歷史上曾發展出多種傳動模式，其中電力傳動柴油機車（又稱：柴電機車）目前最為普及。
機械傳動柴油機車使用機械裝置驅動車輪。但機械結構的離合器難以承受高功率，若增加功率則變速箱結構就必然十分複雜和龐大，以增加排檔數提供相對平穩的變速性能，所以機械傳動柴油機車功率通常很低，傳動效率低於液力傳動和電力傳動。最早的柴油機車使用機械傳動。
用於火車的機械傳動裝置通常比用於汽車的更複雜、更堅固。機械傳動柴油機車通常在發動機和變速箱之間插入一個液力耦合器，且變速箱通常使用行星齒輪以允許在負載下進行換檔。現已有多種最大限度地減少換檔過程中傳動中斷的設計；例如「哈德斯維爾—克拉克聯合公司」所使用的同步自動換檔變速箱。
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機械傳動柴油機車原理圖 -
陳列於北亞拉巴馬鐵路博物館的一台早期機械傳動柴油機車
1906年，魯道夫·狄塞爾和德國鐵路工程師阿道夫·克勞茨、瑞士企業蘇爾壽公司並肩合作，三方合股，成立了狄塞爾-蘇爾壽-克勞茨有限公司（Diesel-Sulzer-Klose GmbH），專門設計生產鐵路柴油機車。普魯士國家鐵路在1909年向該公司訂購一批柴油機車。全球第一台柴油機車1912年夏季在瑞士溫特圖爾—羅曼斯霍恩鐵路上投入運營，但未取得商業成功；該機車使用機械傳動，自重95噸，功率為883千瓦，最高速度100千米/小時。20世紀20年代中期，其它一些國家也有少量研製實驗型柴油機車。[17][18]
電力傳動柴油機車（Diesel-Electric），亦稱柴油電力式機車、或柴電機車，是通過柴油機帶動發電機將柴油轉化成電力，再由牽引電動機驅動車輪轉動的柴油機車。可以說，電力傳動柴油機車是自攜發電機的電力機車。其中使用直流發電機的柴電機車功率一般小於2200千瓦，使用交流發電機的柴電機車功率一般大於等於2200千瓦。柴電機車的柴油機和車輪之間不通過機械結構連接。目前的柴油機車多數為電力傳動柴油機車。
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柴電機車原理圖
柴電機車的重要部件包含柴油機、發電機、牽引電動機（通常為四軸或六軸），以及由發動機調速器、開關設備、整流器、電子設備等組成的控制系統。控制系統可以調整對牽引電動機的供電。最簡單的情況是發電機僅通過非常簡單的開關設備直接連接牽引電動機。
在最基本的情況下，發電機可以直接連接到電機，只有非常簡單的開關設備。
最初的牽引電機和發電機均使用直流電。隨着20世紀60年代大容量矽二極管的發展，直流發電機被先通過交流發電機發電而後通過二極管電橋轉換為直流電的方式取代。這一技術革新通過去除了發電機內的整流子和電刷，大大提高了柴電機車的可靠性，降低了發電機的維護成本，避免了舊式柴電機車因發電機內的整流子和電刷而導致機車故障甚至引發火災。
在20世紀80年代末，隨着大功率變頻器的發展，柴電機車已允許使用多相交流牽引電機，因而淘汰了了電機整流子和電刷。這使得柴電機車擁有了更加高效而穩定的表現、更低的維護成本，同時減少了像舊式牽引電動機因過載而燒毀的情況。
1914，通用電氣工程師赫爾曼·萊帕開發了實用型直流電控制系統，並獲得專利（後續的相關改進項目也獲得了專利）。[19] 赫爾曼·萊帕設計的使用一根控制杆同時控制發動機和發電機的控制方式被後來所有的柴電機車所採用。通用電氣在1917年至1918年間研製的3個柴電機車實驗型號使用了赫爾曼·萊帕的控制設計。[20]
1924年，Eel2型柴油機車的首台機車（初始編號：Юэ 001）開始運行，該型機車為全球第一型實用型柴油機車。該型機車的總設計師為尤里·弗拉基米羅維奇·羅蒙諾索夫，1923年至1924年間在德國埃斯林根機械製造廠。其擁有5根驅動軸，國際鐵路聯盟機車軸式為：1'E1'。經過多次試跑後，其在1925年至1954年間進行正式運行。[21]
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液力傳動柴油機車，亦稱「柴油液力式機車」、或「柴液機車」，使用液力變矩器（torque-converter），又稱液力變扭器，用液力把柴油機的動力傳到車輪上。
液力變矩器主要有三個浸在傳動油的部分：離心式油泵，渦輪及中間固定導輪。離心式油泵和內燃機曲軸相連，當內燃機轉動時，離心式油泵隨着轉動，把傳動油泵向渦輪，渦輪被傳動油帶動而旋轉，並帶動導輪轉動輸出機械能，液力耦合器與輪軸用萬向軸相連，令車輪轉動。為了讓機車的整個速度範圍內將發動機轉度與負荷速度相匹配，需要一些額外的方法來提供足夠的範圍。一種方法是採用機械變速箱隨液力變矩器自動變速，類似汽車上的自動變速器。另一種方法是在同一台機車上安裝多個液力變矩器，每個都有其對應的變化範圍，進而通過多液力變矩器聯手涵蓋所需變化範圍的總量；全部液力變矩器都採用機械結構連接，並通過充排傳動油選擇適合當前速度的液力變矩器。充排傳動油的過程是在負載下進行的，其範圍變化非常平穩，不會導致傳動力出現中斷。
德意志聯邦共和國在其幹線鐵路上大量使用液力傳動柴油機車，包括20世紀50年代設計的「德國聯邦鐵路V200.0型柴油機車」和20世紀六七十年代的「V160系列機車」。英國鐵路在1955年現代化計劃中亦有引入液力傳動柴油機車，其中第一批為向德國引進技術後本土製造。
西班牙國家鐵路曾於20世紀60年代至90年代間使用過多型由德國設計的高功率重量比的雙引擎液力傳動柴油機車牽引快速列車，包括：西班牙國鐵340型柴油機車、西班牙國鐵352型柴油機車、西班牙國鐵353型柴油機車、西班牙國鐵354型柴油機車。
- 西班牙國家鐵路所使用的多型液力傳動柴油機車
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西班牙國鐵352型柴油機車 -
西班牙國鐵353型柴油機車 -
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很多調車機車和工礦機車也採用液力傳動內燃機車。[22][23] 液力傳動在軌道交通維保車輛上也有使用，比如道碴搗固車和鋼軌打磨車。[24]
煤氣內燃機車是以煤氣為燃料的內燃機車，其通過自身搭載的煤氣發生爐將煤炭進行氣化產生煤氣，將煤氣和空氣按一定比例注入內燃機氣缸中形成混合燃燒氣體再產生動力。在20世紀20年代至60年代期間，蘇聯和中國均有研製和使用煤氣內燃機車。[25][26]
二十世紀初期，當內燃機車剛剛出現在蘇聯鐵路之時，就已經有人提出在這種機車上使用固體燃料的問題[27]。雖然內燃機車的熱效率遠比蒸汽機車為高，但內燃機需要使用成本較昂貴的液體燃料。由於當時石油工業的開採技術水平還比較落後，而且石油資源儲量尚未經過詳細勘探探明，加上日益發展的汽車和航空交通都需要大量燃油，使石油成為一種需求不斷趨升的天然資源，因此在靠近煤炭生產地區和遠離石油生產地點的鐵路上，用固體替代液體燃料的內燃機車就有其特別的經濟價值[27]。1926年，在蘇聯交通人民委員部總工程師彼得·瓦西里耶維奇·雅各布森的領導下，設計了一個將Eel2型柴油機車改造為煤氣內燃機車的項目。1932年起，列寧格勒鐵道運輸工程學院的研究部門與列寧格勒煤氣發生器工廠合作，先後進行了幾個煤氣內燃機車的設計項目，最後一個項目於1936年完成設計，設想建造一台2-6-1軸式的機車，配備液力機械傳動裝置和一台1860馬力的串聯臥式四缸四衝程雙作用活塞發動機，五個可燃用無煙煤的煤氣發生爐安置在一台六軸煤水車上[28]。
1939年，科洛姆納機械製造廠建造了一台實驗性的TP1型內燃蒸汽機車，該型機車是以FD型蒸汽機車為基礎的混合動力機車，既可以像蒸汽機車一樣利用來自鍋爐的蒸汽來推動活塞，亦可在活塞內燃用煤氣發生爐所產生的煤氣來做功。由於這種機車本質上仍然是用蒸汽機作為動力來源，和蒸汽機車相比並沒有節省多少燃料，因此沒有得到進一步的發展，但該型機車的煤氣發生器取得令人滿意的效果，並成為後來蘇聯發展煤氣內燃機車的基礎[29]。1943年，全蘇鐵道運輸科學研究院鐵道工程師П·В·雅各布森和А·А·波伊達（А. А. Пойда）建議將Eel型柴油機車改造為可燃用褐煤的煤氣內燃機車。不久之後，隨着更先進的TE1型柴油機車開始投入生產，煤氣內燃機車的改造目標車型又變為TE1型柴油機車，取代了技術落後的Eel型柴油機車[28]。
1950年8月，蘇聯第一台煤氣內燃機車（TE1G-20-187）完成改造出廠，經煤氣化改造後的TE1型柴油機車被稱為TE1G型煤氣內燃機車。燃燒無煙煤的燃氣發生爐被放置在四軸煤水車上，煤水車採用類似棚車的車體和ЦНИИ-ХЗ型轉向架，車輪直徑為950毫米，固定軸距為1800毫米，車鈎中心間距長度為12,100毫米。燃氣發生爐採用乾式除渣順吸式氣化過程，機車發動機的渦輪鼓風機將空氣供給煤氣發生爐，並在進入爐膛的空氣中混入一定比例的蒸汽，使固體燃料在煤氣發生爐內進行氣化作用，產生的煤氣再經過過濾器濾清後供給機車上的內燃機。1951年底，TE1G-20-187號機車被送往伏爾加鐵路局上巴斯昆恰克機務段進行熱工試驗。
1952年，全蘇鐵道運輸科學研究院決定擴大煤氣內燃機車的試製規模，並由烏蘭烏德機車車輛修理廠改造出另外5台TE1G型煤氣內燃機車（114、146、176、209、210），均配屬上巴斯昆恰克機務段投入運用。1954年，烏蘭烏德機車車輛修理廠又製造了10台TE1G型煤氣內燃機車（包括90～96號），同時對設計進行了一些修改，以提高發動機和煤氣發生器的可靠性和耐用性。1950年至1954年間，共有16台機車被改造成TE1G型煤氣內燃機車。與此同時，除了1000馬力的TE1G型煤氣內燃機車外，哈爾科夫運輸機械製造廠還製造了2000馬力的TE4型煤氣內燃機車[30]。
TE4型煤氣內燃機車（俄語：ТЭ4）是蘇聯鐵路的煤氣內燃機車車型之一，由位於烏克蘭的馬雷舍夫工廠設計製造。TE4型煤氣內燃機車是在TE2型柴油機車基礎上開發的三節十二軸幹線貨運機車，機車中部增加了一節裝有煤氣發生爐的煤氣車，其餘兩節機車各裝有一台內燃發電機組，機車燃料為液體柴油和煤氣氣體的混合物。機車採用直—直流電傳動，電傳動系統與TE2型機車完全相同。TE4型內燃機車於1952年試製成功，出廠後在位於烏克蘭的南方鐵路局進行了試運行；1953年，機車配屬伏爾加鐵路局巴斯昆察機務段投入運用考核。1960年，TE4型煤氣內燃機車被改造成TE2型柴油機車，拆除了煤氣車並換裝D50型柴油機，機車車號改為TE2-20-001。
1950年代，中國的石油工業尚處於起步階段，通過大規模恢復西北老油田、對陝甘寧地區的重點勘探等措施，中國原油產量雖然逐年上升但仍供不應求。為緩解石油供應緊張狀況，國家每年花費大量外匯從蘇聯進口石油產品[31]。此時中國的煤炭產能與國內需求間卻無巨大的缺口。中國因而20世紀50年代產生在以後的內燃機車時代使用煤氣內燃機車的想法。1959年1月至6月，由蘇聯向中國提供2台經改造的TE1G型煤氣內燃機車（TE1G-20-096、TE1G-20-127），全蘇鐵道運輸科學研究院並派出專家與中國鐵道科學研究院、鐵道部機務局、中華人民共和國第一機械工業部機車車輛研究所等合作，在中國的集二鐵路進行了為期半年的試驗，主要研究國產無煙煤是否適合此種煤氣發生爐，檢驗發動機主要部件的磨耗和腐蝕情況，以及煤氣內燃機車的運用及檢修情況，並研究在某些缺水地區的鐵路上用煤氣內燃機車代替蒸汽機車的可行性[32]。1959年5月至6月，全蘇鐵道運輸科學研究院內燃機車研究所所長尼古拉·亞歷山德羅維奇·富弗良斯基訪華，參加了TE1G型煤氣內燃機車的試驗總結。試驗完成後，中華人民共和國鐵道部從蘇聯購入其中一台TE1G型煤氣內燃機車[33]，並且在引入中國後稱為NDQ型煤氣內燃機車，「N」代表內燃、「D」代表電力傳動、「Q」代表煤氣。
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1960年的北京內燃機務段，右為NDQ-1號煤氣內燃機車，左為衛星型液力傳動內燃機車
無論是在蘇聯還是中國，煤氣內燃機車均表現出了因煤氣雜質，煤灰和灰塵等雜質進入發動機中後，不僅會損壞氣缸蓋和氣閥閥門，還使機油變質和潤滑性變差，從而導致氣缸套、活塞環、曲軸的磨損增加，並且還導致的氣體管路的腐蝕及其它諸多的不足。因而20世紀60年代蘇聯和中國石油產量大幅增長後，均淘汰了煤氣內燃機車。[25][26]
天然氣內燃機車是以天然氣為燃料的內燃機車。天然氣內燃機車較比現在內燃機車中最為普及的柴油內燃機車更加環保。與柴油相比，天然氣體積發熱量高10%，有毒燃燒產物排放量少33%～50%，對潤滑油老化的影響低30%～40%。這一切能使內燃機車具有較高的經濟、生態和壽命指標。因此天然氣在能量學性能和物理學性能上最適合用於內燃機車。有些天然氣內燃機車實際上為天然氣、柴油混合動力。[4]
1987年6月10日在莫斯科近郊謝爾賓克全蘇鐵路運輸科研所的試驗場上進行了全球第一台以天然氣為燃料的機車運行試驗。把燒油的內燃機車改裝為天然氣機車是按照四年前蘇聯通過的節能綱要進行的。[34] 前蘇聯及俄羅斯曾研製出多型天然氣內燃機車，天然氣內燃機車至今在俄羅斯仍有使用。中國、秘魯、美國等國均有對天然氣內燃機車的研製工作。2015年，東風8B-5672號機車由原先的柴油機車改裝為柴油-液化天然氣雙燃料機車。[35][34][36]
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燃氣渦輪機車，又稱燃氣輪機機車、燃氣輪機車，是內燃機車的一種，使用燃氣渦輪（又稱：燃氣輪機）動力。其所使用的燃氣輪機需要一個變速器來驅動車輪。當機車停車時，必須允許燃氣輪機繼續運轉。
燃氣渦輪機車中使用機械傳動的機車通過機械傳動裝置將動力由燃氣輪機傳動至車輪。1861年，馬克·安托萬·弗朗索瓦·門諾斯（Marc Antoine Francois Mennons）在英國成功申請了一項燃氣渦輪機車專利（英國專利號：1633）。[37] 沒有證據表明上述專利中的燃氣渦輪機車被真正製造出來，但其設計包含了後來20世紀建造的燃氣渦輪機車的基本特徵，包括壓氣機、燃燒室、渦輪機和空氣預熱器。蘇聯的哈爾科夫機車工廠曾生產過多型經典燃氣渦輪機車。[38]
電力傳動燃氣渦輪機車是通過燃氣輪機驅動發電機發電，而後使用電力驅動牽引電動機驅動車輪的燃氣渦輪機車。全球第一型燃氣渦輪機車是「瑞士聯邦鐵路Am 4/6型燃氣渦輪機車」，採用電力傳動，由布朗-博韋里股份公司製造，該型機車燃氣輪機的功率為1,620千瓦（2,170馬力），1938年開始製造，1941年首次試跑，1944年交付瑞士聯邦鐵路。同樣由布朗-博韋里股份公司製造的實驗型燃氣渦輪機車——英國鐵路18000號機車，於1949年交付，是英國鐵路所使用的第1型燃氣渦輪機車。英國鐵路所使用的第2型實驗型燃氣渦輪機車——英國鐵路18100號機車，由都城-維克斯公司製造，1951年交付，該機車採用電力傳動，後改裝為電力機車。英國鐵路所使用的第3型燃氣渦輪機車——英國鐵路燃氣渦輪3型機車，於1961年製造完成，同樣是實驗型機車。[註 3]
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全球第一型燃氣渦輪機車——瑞士聯邦鐵路Am 4/6型燃氣渦輪機車 -
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20世紀50年代，美國鐵路業者聯合太平洋鐵路開始將燃氣渦輪機車用於長編組列車。[39] 這些燃氣渦輪機車被廣泛用於長途列車線路，儘管其使用在石油煉製過程中所產生的低質燃油，但其燃油經濟性依然較差。聯合太平洋鐵路貨運列車有約10%由燃氣渦輪機車牽引，燃氣渦輪機車在聯合太平洋鐵路的普及率較比其它一些鐵路業者要高得多。
燃氣輪機較比往復式發動機有諸多優點。其運動部件較少，減少了潤滑需求並可能降低維護成本，並且功率重量比要高得多。燃氣輪機在等功率下比往復式發動機體積更小，因而能夠做到機車在擁有較大的功率的同時體積卻能相對較小。然而，與具有相對平順的功率曲線的活塞發動機不同，燃氣輪機的功率輸出和效率都隨着轉速而急劇下降。這使得電力傳動燃氣渦輪機車更適合用於長途高速/快速列車。[40] 燃氣輪機能使用多種燃料，包括較為劣質的燃料，如重油、天然氣、煤粉、柴油等。因此對能源的適應性比同屬內燃機車的柴油機車強。又因為不需要水，可在低氣壓的高原環境工作，環境適應性比柴油機車和蒸汽機車強。
電力傳動燃氣渦輪機車也存在一些諸如噪音很大等不足。[40] 燃氣渦輪機車於第二次世界大戰時期開始試驗，但早於1950、60年代已達高峰期。隨着燃料價格飆升（石油危機），發現重油裂解為汽油的方法，燃氣渦輪機車喪失了廉價的燃料，燃氣渦輪機車已逐漸淡出。在某些天然資源特異的路線，能沿路使用一些重工廠的劣質殘餘油，此情況下燃氣渦輪機車依然有競爭力，因而俄羅斯至今仍然進行燃氣渦輪機車的研究和生產 。
因多數內燃機車使用柴油動力而使得很多人「內燃機車」與「柴油機車」兩個詞當作同義詞而含糊的使用，但二者並非完全等同的關係。柴油機車是內燃機車的一種，而內燃機車不一定是柴油機車，比如「苯內燃機車」、「萘內燃機車」、「煤油內燃機車」、「氫內燃機車」、「汽油內燃機車」、「天然氣內燃機車」是內燃機車但不是柴油機車。[3][5][6][7][8]
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