与展厅右侧占据了7条轨道的那一片黑漆漆的钢铁巨兽们相对的，是一辆辆红、黄、绿、蓝的现代化机车，这是现代中国铁路运输的生力军：内燃机车。
内燃机车以内燃机作为原动力，通过传动装置驱动车轮的机车。根据机车上内燃机的种类，在我国铁路上采用的内燃机绝大多数是柴油机。
我国从1958年开始制造内燃机车，在自行生产内燃机车的同时，还先后从罗马尼亚、法国、美国、德国等国家进口了不同数量的内燃机车，如今，大部分的曾经使用过的型号都保存在了博物馆中。
排在左侧第一条铁轨上的第一辆，是一辆有着传统而经典的绿皮涂装的NY6型0007号内燃机车。
NY6型柴油机车是中华人民共和国铁道部于1970年代向联邦德国（西德）亨舍尔公司订购的第二批液力传动柴油机车，共计10台，配属北京铁路局北京内燃机务段、铁道部专运处使用，其中4台机车（0007～0010）从1970年代起一直是中国最主要的专运机车，直到2009年6月正式退出专运队并报废。
NY6型0007号与0009号机车，曾配属于铁道部专运处，2009年退役后，交付中国铁道博物馆永久收藏。
排在NY6型0007号机车身后的是一辆绿皮涂装机车，是NY5型003号内燃机车。
NY5型柴油机车是中华人民共和国铁道部于1960年向联邦德国（西德）亨舍尔公司订购的首批液力传动柴油机车，原型车为德国联邦铁路V320型柴油机车，主要目的是为引进西德先进技术，共计4台，全部配属北京铁路局北京内燃机务段使用。
NY5型0003号机车于1967年5月在京山铁路、沈山铁路进行了高速试运行，北京至沈阳之间运行时间为8小时50分钟，较当时京沈之间最快的11/12次旅客列车缩短超过2小时，最高试验速度达157公里/小时，全程平均运行速度达100公里/小时。
NY5型0003号机车报废后于2003年9月，经整修后送往中国铁道博物馆机车车辆展厅展保存。
一辆独特的蓝黄相间涂装的机车，这是东方红3型柴油机车009号。该型车是中国铁路使用的液力传动干线客运用柴油机车车型之一，也是中国第二代液力传动柴油机车的代表车型之一。东方红3型柴油机车由青岛四方机车车辆工厂于1971年试制、1976年投入批量生产，在1980年代至1990年代初曾经是中国东北地区铁路干线客运的主力柴油机车，至1988年累计生产了268台。
东方红2型0008号车是1971年，四方厂在DFH1型机车基础上，又研制了供中国国内使用的东方红2型柴油机车。为了便于设计、生产和日后配件供应，因此DFH1、东方红2型机车的车体外观、总体结构、传动系统等方面都十分相似，许多主要部件能够通用。
1973年，位于四川省资阳内燃机车厂建成投产，工厂建成后为了调试生产能力、培养技术工人，根据中华人民共和国铁道部统一安排，指令四方厂将东方红2型机车转交资阳厂生产。1973年9月18日，首台由资阳厂制造的东方红2型柴油机车出厂。
东方红2型0008号机车，由资阳内燃机车厂于1974年生产，原配属石家庄机务段，2003年进入中国铁道博物馆保存展示。
第二条轨道上的第一辆车，是一辆霸气十足的机车，翠绿色涂装饰有明黄色的条纹，非常有机器感，果然，它是一辆舶来品，由美国通用电气公司（GE）运输系统商业分公司制造的干线货运用内燃机车：C36-7型柴油机车，是通用电气公司于1978年推出的大功率柴油机车，也是“Dash-7”系列产品中最后一种车型。
20世纪80年代，铁道部经研究后决定，按“技贸结合”原则从国外进口一批大功率柴油机车，以缓和国内机车运用紧张的局面。1983年10月31日，中国向美国通用电气公司订购首批220台柴油机车的销售合同和技术转让合同在北京签订，进口价格为每台98万美元。这批机车按中国铁路机车命名规范定型为ND5型柴油机车，其中“N”代表内燃机车，“D”代表电力传动，“5”代表中国第五种进口电传动内燃机车。
与ND5型柴油机车并排而立的是一辆通体蓝色并饰有淡黄色线条的机车，这是一辆东风4C型DF4-4040号内燃机车。
东风4C型柴油机车(DF4C)，是中国铁路使用的干线货运柴油机车车型之一，由大连机车车辆厂在东风4B型机车基础上，于1985年研制成功、1990年投入批量生产。除了大连厂外，资阳内燃机车厂、大同机车厂和四方机车车辆厂均曾经生产东风4C货运型机车，至1999年累计845台。
东风4C型内燃机车是干线货运用的六轴内燃机车，机车采用双司机室、内走廊式、全钢焊接结构的框架式侧墙承载车体。两端设有同等功能的司机室，可双向操纵机车。
东风4C型4040号机车，于1991年在大连机车车辆厂出厂，曾先后配属沈阳铁路局赤峰机务段、梅河口机务段、吉林机务段和白城机务段，于2012年12月初从白城机务段移交中国铁道博物馆永久收藏。这辆机车的驾驶室对外开放，吸引着不少游客入内参观。
在不远处的另外一条轨道上还展示有一辆东风4C型4001号机车，于1985年9月在大连机车车辆厂出厂，曾先后配属沈阳铁路局赤峰机务段和锦州机务段，于2010年9月初从锦州机务段移交中国铁道博物馆永久收藏，于2013年经鉴定评为国家二级文物。
东风4C型4001号机车
在淡蓝色并饰有白条的8G型002号电力机车外侧，停着一辆蓝黄涂装，前脸特别象电影《变形金刚》中的大黄蜂的机车，它是ND4型15号内燃机车。
ND4型柴油机车是中国铁路的干线柴油机车车型之一，由法国阿尔斯通公司于1970年代初设计制造，共计50台全部配属北京铁路局丰台机务段，曾经是京原铁路、丰沙铁路、京山铁路的主力货运机车，1990年代起陆续报废。
该型机车被定型为ND4型，其中“N”代表内燃机车、“D”代表电力传动；阿尔斯通公司内的设计代号为AD48C。ND4型机车是由阿尔斯通公司在法国国铁CC
72000型柴油机车基础上，根据中国铁路的使用要求专门设计制造的4000马力干线货运柴油机车.
对于硕果仅存的ND4型15号机车，中国铁路迷曾经多番呼吁，希望有关部门能让这台机车进入博物馆永久收藏，最终于2013年1月25日，交由中国铁道博物馆。
紧跟在ND4型柴油机车之后的是一辆蓝红涂装的东风4DJ型客货运内燃机车，它是我国第一种应用交流电传动技术的铁路干线内燃机车。传动装置应用西门子公司的IGBT功率元件的变流器、ITB2630型交流异步牵引电动机和SIBAS32微机控制装置。
东风4DJ0001号机车这台绝版火车头。说它绝版是因为它是2000年大连机车车辆厂和德国西门子公司联合研制的试验车——东风4DJ型交直交电传动内燃机车，当时仅仅生产了两台，两台试验车全部配送到北京丰台机务段试用。后来，因故该机车并没有进行批量生产。
与前面两辆机车排排坐的是一辆全身绿色涂装的东风4型柴油机车（DF4），是中国铁路第二代电传动柴油机车的首型机车，也是中国第一种交—直流电传动柴油机车。东风4型机车由大连机车车辆厂设计制造，首台机车于1969年试制成功，但由于初期机车可靠性较差，此后十多年一直处于“一边生产、一边改进”的局面，经过在实际运用中不断改进设计，机车可靠性、耐久性明显改善，大大降低了故障率。1982年，大连厂在东风4型的基础上研制成东风4B型柴油机车，成为中国铁路上运用最广泛、技术最成熟的柴油机车车型之一。
1973年大连厂试制了东风4型0001号货运机车，交付北京铁路局丰台机务段运用。
东风4型0001号机车，大连机车车辆厂于1973年生产，是首台东风4货运型机车,退役后由中国铁道博物馆永久收藏。
在机车库的内燃机车区最顶头，是一辆通体蓝色并饰有白色条带的机车。它是东风8型0001号内燃机车。
东风8型柴油机车（DF8），是中国铁路使用的一种柴油机车，由铁道部戚墅堰机车车辆工厂设计制造，也是中国第一种采用16V280系列柴油机的大功率柴油机车。
东风8型机车作为中国第一种装用16V280大功率柴油机的机车，对中国柴油机车发展有重要影响。从1980年代末开始，戚墅堰机车车辆厂又研制了16V280ZJA型柴油机，装用于一系列大功率柴油机车，包括东风9型提速机车、东风11型准高速客运机车、东风8B型25吨轴重货运机车、东风11G型提速机车等。
2010年8月初，首台东风8型0001机车由武汉铁路局武昌南机务段移送位于北京的中国铁道博物馆保存及展示。
与其隔着一个站台并排而停的也是一辆与东风8型0001机车有着相似涂装的机车，那是北京型3003号内燃机车.
北京型柴油机车是干线客运用液力传动内燃机车。于1970年由北京二七机车厂开始试制北京型柴油机车，车型代号“BJ”。1971年8月26日，首台北京型3001号机车在北京二七机车厂制成，其后经过大量试验和多次改进，于1975年定型并开始批量生产。截止停产时，各种北京型机车累计生产了372台。北京型内燃机车主要配属华北、华中等地及东北地区的铁路局，作牵引短途,市郊列车之用，是1997年中国铁路第一次大提速以前的主力客运机车。随着技术进步北京型机车已停止生产，并继续服役于各大铁路局。其依然是中国铁路历史上最成功的国产液力传动内燃机车车型之一。凡属中国国产液力传动的内燃机车都命名为“东方红”型，仅“北京”型一个型号例外。
北京型内燃机车的车头有中国首都最著名的标志性建筑。北京型机车原涂装为绿色车身带黄色带，后来改为天蓝色车身带白色带的涂装。
北京型机车现在在逐渐被淘汰。但其依然为中国目前为止最成功的一款液力传动型机车。
东风7D型柴油机车（DF7D）是中国铁路的柴油机车车型之一，由北京二七机车厂于1995年研制成功。东风7D型机车是在东风7B型、东风7C型基础上，为满足山区铁路和高寒地区铁路需要而研制的干线货运柴油机车，采用12V240/275系列柴油机、车体承载内走廊车体；其中山区型机车装用了适应小半径曲线线路的转向架，防寒型机车采取了加强防寒措施；而防寒型机车并分为单端司机室和双端司机室类型。至1999年停产，累计生产了150台山区型机车、64台防寒型机车，配属柳州铁路局、成都铁路局、哈尔滨铁路局使用。
绿色的东风7D型0001号机车，是山区型首车，2010年8月初交由中国铁道博物馆永久收藏。
桔黄色的东风7D型3001号机车，是防寒型首车，2010年8月初交由中国铁道博物馆永久收藏。
在桔红色的东风7D型3001号机车旁边的停放着的是一个外形象一个大柜子似的机车，车头“东方红”三个字份外醒目。
东方红5（DFH5）型0001号内燃机车，由资阳内燃厂1976年设计制造的中国第一台东方红5型液力传动调车和小转运机车，共建造了512台。
东风5型柴油机车（DF5），是中国铁路使用的柴油机车车型之一。东风5型柴油机车是主要用于调车和小运转作业用机车，适用于编组站和区段站进行调车作业，也可做为小运转及厂矿作业的牵引动力。
根据铁道部工业局的安排，经过改进的东风5于1984年交由青岛四厂正式投入批量生产。按四方厂的工艺特点，其生产的8240ZJ型柴油机为采用整体铸造机体和合金钢曲轴，提高了柴油机的可靠性和耐久性。东风5曾于1988年获铁道部科技进步奖，1989年获国家科技进步二等奖，1991年获铁道部优质产品称号。东风5的绰号又叫“劳模”，可能因为到处都可以看到它勤勤恳恳调车作业的原因。
唐山厂出厂的东风5型0007号机车，保存于中国铁道博物馆。
东风7型内燃机车（DF7），是中国铁路使用的柴油机车车型之一，是北京二七机车工厂于1982年研制成功的调车兼小运转用机车，适用于大中型枢纽编组站场调车及大型工矿企业调车及小运转作业。
东风7型机车也是中国第一种采用电子恒功率励磁控制的国产柴油机车，依靠电子控制快速、准确地实现牵引发电机的恒功率，从而达到柴油机的恒功率控制。
东风7J型0001号内燃机车是北京二七机车车辆厂2003年制造，主要用于牵引重载列车转场作业的大功率调车机车。这种型号的机车仅制造了1台样车，未投入批量生产。
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