柴油機車,又稱內燃機車,是指以柴油發動機為動力來源,並通過傳動裝置驅動車輪的鐵路機車。於20世紀中期開始各地鐵路廣泛使用。這些機車的功率輸出和效率比蒸氣機車高,自20世紀中開始在世界大部份地方成為主要鐵路機車種類,柴油機車可以直接取代蒸汽機車,不像電力機車必須依賴其他的電力傳送設施,如架空線或第三軌。柴油機車可按用途分類為貨運機車、客運機車、調車機車、廠礦機車和內燃動車組。自1950年代起,鐵路電氣化開始普遍應用,隨著技術進步,電力機車在牽引力、加速力、爬坡能力和最高速度上逐漸超越柴油機車,因此現時柴油機車多在一些缺乏電氣化的鐵路區段行走。
英國的252-HST型是內燃機車的世界速度紀錄保持者。它的最高速度是時速143英里(229公里),量產型運行速度亦達時速125英里(200公里)。
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