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中国铁路柴油机车车型 来自维基百科，自由的百科全书
東風4D型內燃機車（DF4D）是中國鐵路使用的電力傳動內燃機車車型之一。為配合自1997年4月1日起實施中國鐵路第一次大提速，大連機車車輛廠於1996年開發研製了用於客運提速的東風4D型內燃機車並迅速投入批量生產，成為中國鐵路前四次鐵路大提速的客運機車主力之一。該型機車是在東風4B型和東風4C型柴油機車的基礎上，結合了東風6型和東風10F型柴油機車上的成熟技術，設計開發而成的交—直流電傳動幹線客運機車。機車裝用一台由大連機車車輛廠與英國里卡多公司合作研製的16V240ZJD型柴油機，裝車功率為4,000馬力（2,940千瓦）。牽引傳動系統採用TQFR-3000E型同步牽引發電機和ZD109B型直流牽引馬達，牽引馬達採用滾動軸承抱軸半懸掛驅動方式，機車最高速度為145公里/小時。
| 東風4D型內燃機車 | |
|---|---|
.jpg) 東風4D型提速客運內燃機車 | |
.jpg) 東風4D型准高速客運內燃機車 | |
| 概覽 | |
| 類型 | 內燃機車 |
| 原產國 |  中華人民共和國 |
| 生產商 | 大連機車車輛廠 |
| 生產型號 | DF4D |
| 序列編號 | 參看技術數據 |
| 生產年份 | 1996年—2024年 |
| 產量 | 提速客運型：571台 貨運型：403台 准高速客運型：340台 自導式轉向架型：21台 |
| 主要用戶 |  中國國家鐵路集團（原中國鐵路總公司，鐵道部） |
| 暱稱 | 老虎（提速客運型） 花老虎（准高速客運型） 烏克蘭（貨運型） 柳州虎／南寧虎／綠地（自導式轉向架型） DF200J（0460、0560號機車）[註 1] |
| 技術數據（詳見技術數據） | |
| 華氏輪式 | 0-6-6-0 |
| UIC軸式 | Co'Co' |
| 軌距 | 1,435毫米 |
| 輪徑 | 1,050毫米 |
| 機車長度 | 21,100毫米（連結器中心距） |
| 機車寬度 | 3,309毫米 |
| 機車高度 | 4,755毫米 |
| 燃料 | 柴油 |
| 傳動方式 | 交—直流電 |
| 發動機 | 16V240ZJD／E／F |
| 發動機功率 | 4,000馬力（2,940千瓦） |
| 缸徑 × 行程 | 240 × 275 毫米 |
| 牽引發電機 | TQFR-3000E |
| 牽引馬達 | ZD109B／ZD106 |
| 最高速度 | 145公里/小時（提速客運型） 170公里/小時（准高速客運型） 100公里/小時（貨運／自導式轉向架型） |
| 牽引功率 | 3,300馬力（2,425千瓦） |
| 制軔方式 | 電阻制軔、踏面制軔 |
1998年，大連機車車輛廠在東風4D型提速客運機車的基礎上，開始生產用於幹線貨運的東風4D型貨運機車，通過改變牽引齒輪傳動比和調整磁場削弱率來提高牽引力，最高運轉速度為100公里/小時。1999年，為滿足中國鐵路對準高速客運內燃機車的需求，大連機車車輛廠開發了採用牽引馬達全懸掛轉向架、最高運轉速度為170公里/小時的東風4D型准高速客運機車。2000年，大連機車車輛廠研製了採用自導式轉向架的東風4D型貨運機車。2001年4月，東風4D系列機車（包括提速客運型、貨運型、准高速客運型）通過鐵道部科技成果鑑定。2003年，東風4D系列機車獲國家科技進步二等獎。
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1990年代初，為了提高鐵路運輸的競爭能力、適應市場需求和經濟發展，中國鐵路以廣深准高速鐵路為開端走向提速之路。1994年初，中華人民共和國鐵道部頒發了新的《鐵路主要技術政策》，再次強調「大力提高列車重量，積極增加行車密度，努力提高行車速度」的方針，提出在繁忙幹線上通過改造路線設備和提高機車車輛技術，將旅客列車最高速度逐步提高到140～160公里/小時，旅客列車最大編組輛數達到20輛。1995年6月28日，時任中華人民共和國鐵道部長韓杼濱主持召開了部長辦公會議，確定了鐵路提速的原則、目標與實施步驟，將提速區段的快速旅客列車最高速度目標值定為140～160公里/小時，一般旅客列車為120公里/小時，並決定在既有幹線上進行提速試驗，為未來大面積提速進行技術準備。 1995年至1996年，鐵道部先後在滬寧鐵路、京秦鐵路、瀋山鐵路、京廣鐵路等主要幹線上進行了多次大規模提速試驗。隨後，滬寧鐵路「先行號」、京秦鐵路「北戴河號」快速列車也相繼開通，列車最高速度達到140公里/小時，投入營運後廣受旅客歡迎，這都為中國鐵路進行全面提速提供了依據。
1996年9月15日，鐵道部決定自1997年4月1日零點起，京滬、京廣、京哈等主要鐵路幹線上的客運列車將實行全國鐵路第一次大面積提速，並指示大連機車車輛廠立即開發研製用於提速客運的新型內燃機車，要求在1997年4月1日前提供至少50台提速機車。面對鐵道部提出繁忙幹線上旅客列車最大編組達18～20輛、最高運轉速度140公里/小時的要求，3,300馬力的東風4B型客運機車已難以勝任。當時鐵道部最初曾打算以比較成熟的東風4C型貨運機車為基礎，研製3,600馬力的幹線客運柴油機車，經鐵道部機務局和大連機車車輛廠的反覆論證後，最終決定研製4,000馬力的東風4D型內燃機車，大連機車車輛廠設計部門立即進行機車方案設計。此時距離大提速的實施日期僅餘下不足七個月，機車研製進度十分緊迫。1996年10月21日至22日，東風4D型內燃機車技術設計方案通過了鐵道部的設計審查，隨即開始施工設計和試製。1996年11月18日，工廠開始進行首台東風4D型提速客運機車的總裝。1996年12月15日，東風4D型0001號機車在大連機車車輛廠落成[2]。
東風4D型提速客運機車是在東風4B型及東風4C型柴油機車的基礎上，結合了東風6型內燃機車和東風10F型柴油機車的研製經驗和成熟技術，而設計開發而成的交—直流電傳動幹線客運機車。機車裝用一台由大連機車車輛廠與英國里卡多公司合作研製的16V240ZJD型柴油機，裝車功率為4,000馬力（2,940千瓦）。傳動系統採用TQFR-3000E型同步牽引發電機和ZD109B型直流牽引馬達，牽引馬達採用滾動軸承抱軸半懸掛驅動方式，機車最高速度為145公里/小時。與東風4B型客運機車相比，東風4D型提速機車的機車標稱功率提高了22.2%，每萬噸公里油耗下降了4.5%，機車大修周期由80萬公里延長至120萬公里。按機車牽引20節大編組旅客列車（牽引重量1100噸）計算，在平直路線運轉上起動加速到120公里/小時需時15分鐘20秒，最高平衡速度可以達到132公里/小時[註 2]，即使在6‰上坡道的持續運轉速度亦可維持78公里/小時[3]。
1996年12月至1997年2月，東風4D型0001號提速機車出廠後隨即赴北京，按照鐵道部的安排由鐵道部科學研究院、北京鐵路局、大連機車車輛廠合作對其進行各種性能試驗。1996年12月25日至26日，該機車分別在京承鐵路北京至洞廟河、京秦鐵路北京至豐潤間進行了小半徑曲線通過性能試驗和高速動力學試驗，試驗結果顯示東風4D型提速機車的運轉平穩性、曲線通過性能、制軔性能優良，在京秦鐵路上的最高試驗速度達到157.7公里/小時。12月27日，機車在北京環形鐵道以及京秦鐵路燕郊至豐潤間進行了機車制軔性能試驗。1997年2月18日至19日，東風4D型0001號機車在鐵道部質檢中心內燃機車檢驗站進行了定置牽引試驗[4]。
為了驗證東風4D型提速客運機車性能與品質，鐵道部質檢中心並對該型機車及主要部件進行了部級鑑定試驗。1997年1月至5月期間，對永濟電機廠製造的牽引發電機和牽引馬達進行了性能鑑定試驗。1997年6月至8月期間，在大連機車車輛廠內對16V240ZJD型柴油機進行了部級鑑定試驗，包括UIC 100小時性能試驗和ORE 360小時耐久性試驗。2000年，鐵道部選定了配屬濟南鐵路局濟南機務段的東風4D型0336號機車作為運用考核機車，該機車於1998年12月投入使用，至2000年3月完成了30萬公里運用考核，期間並沒有因機車品質問題造成機破和臨修，且燃油經濟性優異，但由於柴油機拆解檢驗後發現其中一個活塞的鋁裙出現嚴重裂紋，因此鐵道部決定改用配屬哈爾濱鐵路局三棵樹機務段的東風4D型0365號機車作為運用考核機車。該機車於1999年6月投入運用，至2000年8月完成了30萬公里運用考核，拆解檢驗顯示機車各主要部件狀態良好[4]。
1997年3月20日，首批50台東風4D型提速機車如期交付使用。1997年4月1日，中國鐵路第一次大提速全面展開，東風4D型內燃機車、東風11型柴油機車、韶山8型電力機車一起成為這次大提速的三大主力客運機車。至當年年底，大連機車車輛廠已生產出153台東風4D型提速機車，配屬到北京鐵路局北京機務段、石家莊機務段及天津機務段、上海鐵路局上海機務段及南京機務段、廣州鐵路集團長沙機務段、濟南鐵路局濟南機務段及徐州機務段、鄭州鐵路局鄭州機務段、瀋陽鐵路局瀋陽機務段及山海關機務段、哈爾濱鐵路局三棵樹機務段等客運機務段，首先在京哈鐵路、京廣鐵路、京滬鐵路等幹線投入運用。此後，東風4D型提速機車亦成為中國鐵路第二、三次大提速的主型機車之一，並曾經參與隴海鐵路、蘭新鐵路、京廣鐵路等幹線的提速試驗。1998年10月1日，中國鐵路再次調整列車運行圖，實施全國鐵路第二次大提速。其中一個焦點便是延長機車交路，當時京廣鐵路武昌至廣州之間的六對快速列車[註 3]，均由長沙機務段的東風4D型提速機車擔當牽引任務，機車交路長達1064公里，成為當時全國距離最長的內燃機車交路[註 4]。為了配合第二次大提速的實施，當年鐵道部向大連機車車輛廠訂購了190台東風4D型提速機車[5]。1999年9月，時任鐵道部副部長劉志軍、總工程師華茂崑帶領有關部門人員參與蘭新線客車提速試驗，乘坐由東風4D型提速機車牽引的試驗列車，在蘭新鐵路張掖至嘉峪關、嘉峪關至疏勒河間進行牽引試驗，期間列車最高時速分別達到149公里/小時和153公里/小時，這次提速牽引試驗取得了大量數據，為2000年10月1日的中國鐵路第三次大提速奠定了基礎。
由於東風4D型提速客運機車未經長時間運用考核便投入批量生產，機車投入運用初期陸續出現了一些品質問題，當時最主要的故障問題包括鋼頂鋁裙活塞裙部碎裂、車輪踏面剝離及輪箍裂紋、從動齒輪崩裂斷齒、齒輪罩漏油等。據當時的鐵道部副部長劉志軍回憶，「講到品質問題……東風4D，我是一直肯定這個車，我可以講，如果不是我積極肯定這個車，這個車也要夭折，我肯定這個車是因為當時它的速度能上來，19輛車它能滿足（時速）120～130公里。但是我到齊齊哈爾去，饑寒交迫呀。車窗外下大雨，裡面下小雨，外面穿的衣服，我的夾克衫衣服淋透了，鞋裡面都是水，就是因為我們的車窗，駕駛室不封閉呀，現在當然東風4D整好了。所以講品質問題，我還能講若干若干，我不講輪箍掉了、底盤裂了、連結器斷了，這些都不講，（如果要講）我都能講出時間地點」[6]。為此，大連機車車輛廠對其採取了一系列改良措施，並向各大機務段派出售後服務小組，了解及調查機車運用中發現的種種問題並作出及時處理。針對活塞裙部碎裂的問題，工廠一方面立即改用早已研製成功的鋼頂鐵裙活塞作為應急措施，另一方面同時對鋼頂鋁裙活塞結構重新設計。針對柴油機起動困難問題，改裝帶有起動限油裝置的聯合調節器。為解決司機室漏雨問題，修改了司機室的設計，並在空調器安裝口加一層防雨蓋，以及採用密封膠條改善司機室門的密封和防寒問題。此外，還改用從烏克蘭進口的整體輾鋼車輪以解決組合式車輪的品質問題[7]。經過大連機車車輛廠的努力，使東風4D型提速機車的機破率迅速下降，機破件數由1997年的每10萬公里0.46件下降到1998年的每10萬公里0.26件，1999年第一季度又進一步下降到每10萬公里0.15件，成為當時三種提速客運機車當中機破率最低的車型[8]。
東風4D型提速機車從1997年2月開始投入批量生產，至2003年停產為止累計生產了571台，機車編號為0001～0240、0243～0347、0353～0529、0532～0580。至2000年代末，在經歷過多次鐵路大提速以及更多新型客運機車投入運用以後，東風4D型提速機車主要配屬上海鐵路局南京東機務段、合肥機務段及徐州機務段、北京鐵路局天津機務段及石家莊機務段、南昌鐵路局南昌機務段、向塘機務段及福州機務段、瀋陽鐵路局瀋陽機務段及通遼機務段、廣州鐵路集團長沙機務段、株洲機務段及龍川機務段、哈爾濱鐵路局三棵樹機務段、濟南鐵路局濟南機務段、武漢鐵路局襄樊北機務段、南寧鐵路局柳州機務段、太原鐵路局太原機務段、呼和浩特鐵路局包頭西機務段、青藏鐵路公司西寧機務段、烏魯木齊鐵路局烏魯木齊機務段及庫爾勒機務段，其中北京鐵路局天津機務段配屬最多，達到60輛，主要擔當北京站-天津站-山海關站，濟南站-天津站-山海關站，石家莊站-天津站-山海關站，北京站-天津站-濟南站的機車交路。2010年代末，隨著各地的許多鐵路幹線逐步完成電氣化改造、新一代的電力機車大量投入運用，東風4D型提速機車亦隨之淡出歷史舞台，部分機車陸續被封存或報廢拆解，部分機車則轉配至未實施電氣化改造的次幹線繼續運用。2011年，北京鐵路局為替換車況較差的北京專運型內燃機車，將部分東風4D型提速機車調至北京鐵路局北京機務段，擔當京原鐵路北京至原平、北同蒲鐵路原平至太原的客運列車交路。2015年6月，哈爾濱鐵路局三棵樹機務段的東風4D型提速機車全部封存或轉配。2016年起，北京鐵路局的部分東風4D型提速機車被封存於石家莊機務段保定運用車間。2019年2月，上海鐵路局合肥機務段的東風4D型提速機車全部中止營運，分別封存於蕪湖東運用車間及淮南西運用車間等地。同年，南京東機務段的東風4D型提速機車全部報廢拆解。
自2018年起，為了延長東風4D型提速機車的使用壽命，並加快淘汰日漸老化的東風4C型柴油機車，瀋陽鐵路局改變了部分提速機車的牽引齒輪傳動比，將其改造為最高速度100公里/小時的東風4DH型貨運機車，機車編號不變但車型後綴增加代表貨運型的英文字母「H」（DF4DH），車身塗裝亦由紫紅色改為天藍色。截至2019年底，瀋陽鐵路局已有至少35台由東風4D型提速客運機車改造而成的東風4DH型貨運機車，主要配屬蘇家屯機務段、錦州機務段、通遼機務段、吉林機務段和梅河口機務段。
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1998年1月，大連機車車輛廠決定在東風4D型提速客運機車的基礎上，開發研製用於幹線貨運的東風4D型貨運機車。1998年4月，大連機車車輛廠試製了首兩台貨運型機車（0241、0242），配屬北京鐵路局石家莊機務段進行運用考核，主要擔當石家莊—德州—濟南西間的貨運牽引任務。1998年7月，鑑於貨運型機車的使用情況良好，陝西省西延鐵路公司亦向大連機車車輛訂購了一台貨運型機車（0348），同年9月被命名為「延安號」並投入使用，這也是東風4D型機車首次進入地方鐵路市場[7]。1998年11月，經鐵道部批准，大連機車車輛廠開始批量生產東風4D型貨運機車，同時啟用4000系號段作為貨運機車的編號。2000年11月，鐵道部產品品質監督檢驗中心選取了配屬豐臺機務段的東風4D型4017號機車，於北京環形鐵道進行部級鑑定牽引性能試驗，試驗計畫包括最大起動牽引力、牽引運轉性能、電阻制軔性能、司機室噪聲測量等，試驗結果顯示機車各項性能指標均符合設計要求。
貨運型機車與提速客運型機車車主要結構基本相同，主要零部件均能通用互換。根據幹線貨運的需要，貨運型機車在提速客運型機車的基礎上作出了一些改動，包括重新設計了牽引齒輪箱，將牽引齒輪齒數比由68：24改為63：14，最高運轉速度調整為100公里/小時，機車起動牽引力及持續牽引力分別提升到480千牛頓、341千牛頓；轉向架取消了抗蛇行減振器；加裝機車重聯裝置；牽引馬達的磁場削弱率由66%改為60%，以擴展機車恆功率速度範圍。與東風4B型、東風4C型貨運機車相比，東風4D型貨運機車的牽引性能有較大提高，柴油機裝車功率分別比東風4B型、東風4C型貨運機車高約20%、10%，起動牽引力分別提高了9.88%和11.1%；燃油消耗率相對較低，萬噸公里油耗比東風4C型機車降低了4.5%。此外，東風4D型貨運機車可在一級磁場削弱的條件下，在整個運轉速度範圍（24.5～100公里/小時）內實現恆功率牽引[9]。當東風4D型貨運機車牽引4000噸列車時，在平直道上的平衡速度可達80公里/小時，在6‰坡道上的持續運轉速度亦不低於28公里/小時。
有別於提速客運型機車採用奶黃色搭配紫紅色的車身塗裝，貨運型機車一般採用上半部奶黃色、下半部天藍色的塗裝，由於這種塗裝形似倒過來的烏克蘭國旗，所以中國的鐵路愛好者常對這種貨運型機車暱稱為「烏克蘭」[10]。此外，部分地方鐵路用戶的機車會採用各自的企業塗裝，例如金溫鐵路、天津南環鐵路、巴新鐵路等。
東風4D型貨運機車從1998年11月起投入批量生產，截至2024大連機車車輛公司累計生產了403台，機車編號為0241、0242、0348、1893、4001～4033、4036～4056、4063～4073、4078～4079、4082～4090、4093～4166、4170~4418。其中，東風4D型4179號機車是大連機車車輛公司自生產內燃機車以來的第6000台機車，於2004年10月交付內蒙古集通鐵路公司。從2003年下半年生產的4094號機車起，按鐵道部規定改為採用標準化司機室。按工廠與鐵道部商定的2003年第一批產品議標價格，當時東風4D型貨運機車的價格為每台575.7萬元人民幣，如採用規範化司機室另加價9.84萬元，如採用整體鑄造機體的16V240ZJF型柴油機另加價3萬元。中國國家鐵路方面，東風4D型貨運機車主要配屬北京鐵路局、南寧鐵路局、上海鐵路局、南昌鐵路局、烏魯木齊鐵路局。
北京鐵路局豐臺機務段於1999年配屬首批東風4D型貨運機車，並從石家莊機務段調入最早生產的兩台原型車（0241、0242）；同時，原來配屬豐臺機務段的ND5型柴油機車亦逐步調往上海、瀋陽、濟南機務段。豐臺機務段的東風4D型貨運機車主要擔當京山鐵路豐臺西至南倉的5000噸重載貨物列車，以及京原鐵路豐臺西至靈丘、京九鐵路豐臺西至聊城北的貨物列車牽引任務。2010年代初，隨著京九鐵路北段完成電氣化改造，豐臺機務段大量配屬HXD3B型電力機車，並開始將HXN5型柴油機車投入京原鐵路運用，豐臺機務段於2011年調出23台東風4D型貨運機車，其中15台（4012～4017、4019、4021～4028、4030）轉配南寧鐵路局柳州機務段，其餘則轉配石家莊電力機務段，擔當石家莊西至濟南西的貨物列車。2015年至2016年，中國鐵路總公司多次下達機調命令，分批將南寧鐵路局南寧機務段的37台東風4D型貨運機車轉配屬北京鐵路局，其中33台機車配屬給懷柔北機務段（4120~4126、4135~4148、4157~4159、4204~4215），以淘汰該段部分車況欠佳的東風4型、東風4B型、東風4C型柴油機車，另外4台機車則配屬給石家莊電力機務段（4006、4040、4050、4051）。懷柔北機務段的東風4D型貨運機車分別配屬雙橋、承德運用車間，主要負責京通鐵路、京承鐵路、錦承鐵路、承隆鐵路的客貨運列車牽引，以及北京地區鐵路樞紐內的小運轉及客車空車回送；為了便於牽引雙管供風的旅客列車，該段配屬的東風4D型貨運機車還加裝了總風管。截至2018年末，北京鐵路局配屬58台東風4D型貨運機車，其中懷柔北機務段33台、石家莊電力機務段17台、豐臺機務段8台。
柳州鐵路局柳州機務段於2003年配屬首批14台東風4D型貨運機車，同時還配屬了21台東風4D型自導式轉向架機車（下述），投入焦柳鐵路柳州南至懷化南區段運用。至2006年末，柳州鐵路局配屬44台東風4D型貨運機車（包括21台採用自導式轉向架的東風4D型7000系機車）。2011年，柳州機務段接收了15台從北京鐵路局豐臺機務段轉配的東風4D型貨運機車。2012年10月，根據鐵道部召開的機車調配協調會議結果，烏魯木齊鐵路局庫爾勒機務段的25台東風4D型貨運機車（4001～4010、4038～4052）全部轉配屬柳州機務段。2012年，南寧鐵路局（柳州鐵路局已於2007年11月更名為南寧鐵路局）配屬75台東風4D型貨運機車（包括21台採用自導式轉向架的東風4D型7000系機車），運用範圍遍及焦柳鐵路柳州南至懷化南、湘桂鐵路永州至柳州南、柳州南至南寧南、黎湛鐵路黎塘至湛江等區段。2013年，為配合湘桂鐵路擴能改造工程完成，柳州機務段開始配屬HXD3C型電力機車，並將原配屬該段的東風4B型、東風4C型、東風4D型貨運機車轉配給南寧機務段。2015年7月，隨著湘桂鐵路柳州至南寧區段完成電氣化改造，原配屬南寧機務段的韶山7型電力機車被調撥到柳州機務段，擔當湘桂鐵路柳南段的貨物列車牽引任務。2015年至2016年間，南寧鐵路局南寧機務段根據中國鐵路總公司的指示，將37台東風4D型貨運機車轉配屬北京鐵路局懷柔北機務段及石家莊電力機務段。2017年，南寧機務段餘下的所有東風4D型貨運機車集中轉配柳州機務段。截至2018年末，南寧鐵路局柳州機務段配屬38台東風4D型貨運機車，主要用於牽引湘桂鐵路柳州南至桂林西間的貨物列車。
上海鐵路局於2004年至2005年間訂購了20台東風4D型貨運機車（4188～4197、4217～4226），配屬蕪湖機務段並投入華東第二通道運用，主要用於牽引寧銅鐵路及淮南鐵路的4000噸貨物列車。2006年3月，上海鐵路局調整管內運輸生產力布局，蕪湖機務段與合肥機務段合併為合肥機務段。2007年，隨著合肥機務段和阜陽機務段開始配屬大批ND5型柴油機車，這批東風4D型貨運機車被調往上海機務段，用於牽引滬寧鐵路及滬杭鐵路的摘掛貨物列車，以及上海鐵路樞紐內鐵路支線包括南何支線、北楊支線等的調車及小運轉任務。2011年，上海機務段將20台東風4D型貨運機車調入杭州機務段，而杭州機務段則以一批東風4B型貨運機車與之交換。杭州機務段的東風4D型貨運機車主要擔當宣杭鐵路、蕭甬鐵路及北侖支線的貨運任務。
南昌鐵路局贛州機務段於2004年配屬首批12台東風4D型貨運機車，擔當京九鐵路吉安至贛州東間，以及漳龍鐵路、贛龍鐵路的貨物列車牽引任務。2006年3月，鷹潭、贛州機務段被撤銷，兩個機務段整體併入向塘機務段。截至2018年末，南昌鐵路局向塘機務段配屬36台東風4D型貨運機車。
烏魯木齊鐵路局南疆鐵路臨管處魚兒溝機務段於1998年開始配屬東風4D型貨運機車，擔當南疆鐵路貨物列車的牽引及補機任務，第一批10台機車（4001～4010）於1998年交付，第二批15台機車（4038～4052）於1999年交付，至2000年底配屬了25台該型機車。2004年11月，烏魯木齊鐵路局實施生產力布局調整，撤銷魚兒溝機務段並將其劃歸庫爾勒機務段，設庫爾勒機務段魚兒溝機務分段。同時，庫爾勒機務段並被指定為烏魯木齊鐵路局的東風4D型機車中級檢修基地。2005年3月，鐵道部宣布裁撤鐵路分局建制，烏魯木齊鐵路局撤銷所屬的烏魯木齊鐵路分局、哈密鐵路分局、南疆鐵路臨管處、北疆鐵路公司，開始實行鐵路局直接管理站段的管理體制[11]；同年，庫爾勒機務段魚兒溝機務分段更名為庫爾勒機務段魚兒溝整備車間。2010年12月起，庫爾勒機務段開始在南疆鐵路使用HXN5型柴油機車。2012年10月，庫爾勒機務段的東風4D型貨運機車全部被調往南寧鐵路局柳州機務段。
地方鐵路及工礦企業方面，東風4D型貨運機車的主要用戶包括內蒙古集通鐵路公司、浙江金溫鐵道開發公司、廣西沿海鐵路公司、西延鐵路公司、泉州鐵路公司、朔黃鐵路公司、巴新鐵路公司、寧夏寧東鐵路公司、河北沙蔚鐵路、平谷地方鐵路、雙鴨山礦業集團、淮南礦業集團、淮北礦業集團、雲南天達化工實業、冀中能源峰峰集團、大屯煤電徐沛鐵路、中鐵十六局集團等。2006年，內蒙古集通鐵路公司向大連機車車輛公司訂購的8台東風4D型貨運機車（4245～4252），根據集通鐵路公司的要求採用了25噸軸重，通過在車體中部側梁兩側加裝壓鐵來提高粘著重量及牽引力。2013年起，大連機車車輛公司又先後為雲南天達化工實業（4320、4348）、山東能源棗莊礦業（4350、4399）、巴新鐵路公司（4351～4354）、南京揚子石化（4397）、中國石油華北石化（4409～4410）等用戶製造了多台25噸軸重的東風4D型貨運機車。2018年，秦皇島旅遊控股集團公司向中車大連機車車輛公司訂購了一台東風4D型4408號機車，但按牽引齒輪傳動比而言該機車實際上為客運型機車，最大運用速度為145公里/小時，該機車專門用於牽引秦皇島「秦旅山海號」觀光旅遊列車，因整個車身採用堇紫色塗裝而被暱稱為「紫羅蘭」。
2024年7月，配屬於開灤中潤的DF4D-4418號機車自中車大連機車車輛發出，標誌著DF4D型內燃機車完全停產。
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1998年，為滿足中國鐵路對準高速客運柴油機車的需求，大連機車車輛廠與西南交通大學等單位合作，在東風4D型提速客運機車的牽引馬達半懸掛轉向架的基礎上，開始研製牽引馬達全懸掛的准高速機車轉向架。同年7月，准高速機車轉向架的技術方案通過了廠內設計評審會議，並於同年10月完成了施工設計。1999年3月，工廠製造出第一台全懸掛轉向架，並進入大連內燃機車研究所定置台進行台架試驗。與此同時，為了準備將於2000年進行的全國鐵路第三次大面積提速，鐵道部正式向大連機車車輛廠下達了研製任務，要求開發裝用全懸掛轉向架、最高運轉速度為170公里/小時的東風4D型准高速客運機車。1999年5月，准高速客運型機車設計方案通過了鐵道部的技術設計審查，隨即開始施工設計和試製。1999年10月13日，首台東風4D型准高速客運機車（3001）在大連機車車輛廠竣工[12]，經過廠內測試和路線試運轉後隨即赴北京。
1999年10月20日至30日，東風4D型3001號機車在北京環形鐵道進行了最大起動牽引力、牽引特性、電阻制軔等試驗，牽引試驗過程中利用了兩台東風11型柴油機車的電阻制軔調節作為被試驗機車的牽引負荷，對16V240ZJE型柴油機進行了4,500馬力（3,310千瓦）和4,000馬力（2,940千瓦）兩種功率狀況下的測試，隨後又在瀋山鐵路上進行了單機緊急緊軔距離試驗，期間最高試驗速度達到190.8公里/小時。1999年11月初，鐵道部產品品質監督檢驗中心在瀋山鐵路和遼溪鐵路上，對東風4D型3001號機車進行了動力學性能試驗，測試機車的運轉安全性、平穩性及主要部件的動酬載特性。1999年11月5日起，東風4D型3001號機車配屬瀋陽鐵路局瀋陽機務段投入運用考核，用於牽引瀋陽至大連間的「遼東半島號」快速列車，每天往返一次走行近800公里。2000年2月18日，東風4D型3002號機車同樣配屬瀋陽機務段投入運用考核。2000年6月，鐵科院機車車輛研究所對準高速全懸掛轉向架構架進行靜強度試驗和疲勞強度試驗，試驗結果均符合設計要求[12]。至2000年11月，東風4D型3001號機車已行走了28萬公里；同年12月，該機車在山海關機務段進行中級檢修，對轉向架全面解體檢查，並將轉向架主要零部件運返工廠進行檢測和探傷。2001年4月，東風4D系列機車（包括提速客運型、貨運型、准高速客運型）通過鐵道部科技成果鑑定。2003年，東風4D系列機車獲國家科技進步二等獎。
首兩台准高速客運機車（3001、3002）試驗裝用由大連機車車輛廠與英國里卡多公司進行技術合作和研製開發的16V240ZJE型柴油機，裝車功率提高到4,500馬力（3,310千瓦）；但由於16V240ZJE型柴油機耗油量相對較高，且機車冷卻能力不足，因此從2000年起生產東風4D型3003號機車開始，恢復使用與提速客運型機車相同的16V240ZJD型柴油機，裝車功率下降至4,000馬力（2,940千瓦），而東風4D型3001號及3002號機車後來返廠大修時亦換裝了D型柴油機。牽引馬達驅動裝置方面，有別於提速客運型機車的滾動軸承抱軸半懸掛結構，准高速客運型機車採用了牽引馬達架懸的雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置，改善了高速行駛時的動力學性能以及對鋼軌的衝擊，並改為使用與東風11型機車相同的ZD106型牽引馬達，牽引齒輪傳動比改為76：29，最高運轉速度為170公里/小時。
除此之外，准高速客運型和提速客運型機車在技術和結構上的主要區別還包括：准高速轉向架的二次懸吊使用高柔度螺旋圓簧和垂向油壓減震器，代替了半懸掛轉向架的旁承橡膠堆；由於轉向架固定軸距及構架長度延長，故油箱容量亦由9000升減少至6500升。基礎制軔裝置採用了單側單閘瓦的單元制軔裝置，取代了提速型機車的單側單閘瓦槓桿制軔方式，停車制軔形式亦由手制軔改為彈簧儲能制軔。准高速型機車改為使用JZ-7型電氣指令式空氣軔機機，以配合25Z型准高速客車及25K型提速客車的電氣指令式空氣軔機裝置。電器櫃和主整流櫃的冷卻方式方面，提速型機車使用開放式自通風，而准高速型機車則使用全封閉式強迫通風冷卻。另外，准高速型機車還增加了原提速型機車沒有的多機重聯操縱系統和顯示重聯機車資訊的儀表、號誌機系統和通訊裝置。
與提速型機車相比，東風4D型准高速客運機車的車身塗裝仍然採用紫紅色和奶黃色作為主色，但在車身兩側前後端下部的紫紅色底色加上了三道奶黃色線條，而車身兩側中部的紫紅色部分亦移至腰線以上，使其塗裝方案與日本國有鐵道特急色巧合地相似。
東風4D型准高速客運機車自2000年5月起投入批量生產，至2013年停產為止大連機車車輛公司累計生產了340台，機車編號為3001～3340。其中，2000年交付60台，2001年交付99台，2002年交付111台，2003年交付40台，2004年交付12台，2007年交付11台，2012年交付7台。從2003年下半年生產的3213號機車起，按鐵道部規定改為採用標準化司機室。按工廠與鐵道部商定的2003年第一批產品議標價格，當時東風4D型准高速客運機車的價格為每台748.66萬元人民幣，如採用規範化司機室另加價9.84萬元。東風4D型准高速客運機車配屬哈爾濱鐵路局、瀋陽鐵路局、呼和浩特鐵路局、北京鐵路局、上海鐵路局、南昌鐵路局、南寧鐵路局、鄭州鐵路局、武漢鐵路局、青藏鐵路公司以及內蒙古集通鐵路公司。2010年代末，隨著在中國各地的許多鐵路幹線逐步完成電氣化改造、新一代的和諧型大功率電力機車大量投入運用，東風4D型准高速客運機車的運用範圍亦不斷縮小。部分機車被改為用於牽引各地鐵路新線正式開通前的聯調聯試檢測列車，以及作為分布在高速鐵路沿線的應急熱備內燃機車。
哈爾濱鐵路局三棵樹機務段於2000年配屬首批11台東風4D型准高速機車（3016~3021、3030～3034），2001年增配10台（3086~3095），2002年增配25台（3160~3163、3198~3203、3232~3239、3245~3251），曾經被廣泛用於牽引京哈鐵路、濱洲鐵路、濱綏鐵路、拉濱鐵路、濱北鐵路等方向的旅客列車。2003年至2004年，哈爾濱鐵路局增加22台東風4D型准高速機車，其中17台分配到三棵樹機務段（3296~3303、3311~3319），其餘5台配屬齊齊哈爾機務段（3306~3307、3320~3322）。2010年起，三棵樹機務段陸續接收了不少從北京、上海、濟南、武漢、鄭州等鐵路局轉配的東風4D型提速機車和准高速機車。2015年，隨著三棵樹機務段配屬了50台從北京、武漢、南昌等鐵路局轉配的東風11型柴油機車，三棵樹機務段將部分東風4D型准高速機車調撥到佳木斯機務段，擔當佳富鐵路、圖佳鐵路、綏佳鐵路、平齊鐵路等非電氣化鐵路的旅客列車牽引任務。2018年起，由於濱洲鐵路完成電氣化改造後三棵樹機務段增配電力機車，三棵樹機務段的部分東風11型柴油機車轉配佳木斯機務段，哈爾濱局集團公司開始將部分車況較差的東風4D型機車報廢或封存於穆稜，並有少部分機車被轉配到牡丹江機務段。
瀋陽鐵路局是最早使用東風4D型准高速機車的鐵路局，首兩台原型車（3001~3002）於1999年11月配屬瀋陽機務段進行運用考核。2001年，瀋陽機務段增配8台東風4D型准高速機車（3096~3103）。瀋陽機務段的東風4D型准高速機車初期主要用於牽引瀋山鐵路及瀋大鐵路的旅客列車，該兩線完成電氣化改造後，改為投入瀋丹鐵路、瀋吉鐵路、營口鐵路等地運用。2006年，為配合青藏鐵路全線開通，瀋陽機務段將東風4D型3001號、3096號、3098號機車調撥給青藏鐵路公司西寧機務段。2010年起，瀋陽鐵路局陸續接收了部分從南昌鐵路局、上海鐵路局轉配的東風4D型准高速機車，分配給瀋陽機務段、錦州機務段使用，並投入錦承鐵路、新義鐵路、葉赤鐵路使用。2016年，瀋陽機務段的東風4D型3283號機車改用了紅色車身配黃色腰帶的特殊塗裝，專門用於牽引中國鐵路瀋陽局集團的「共產黨員號」黨員流動課堂列車，替換同樣採用特殊塗裝的東風4B型2490號機車。2020年9月，東風4D型3283號機車恢復原本的塗裝。2020年8月，錦阜高鐵路擴能改造及新義鐵路電氣化改造完成，錦州機務段派出兩台東風4D型准高速機車用於牽引電車線熱滑試驗車。
呼和浩特鐵路局呼和浩特機務段於2001年配屬首批7台東風4D型准高速機車（3104~3106、3156~3159），擔當京包鐵路包頭至大同之間的客運交路。2002年，呼和浩特機務段繼續增配了19台東風4D型准高速機車（3164~3172、3207~3213、3258~3260）。2007年，呼和浩特鐵路局實施運輸站段管理體制改革、撤銷呼和浩特機務段後，這些機車分別配屬集寧機務段及包頭西機務段，主要用於牽引京包鐵路、包蘭鐵路、包白鐵路、集二鐵路、臨哈鐵路的旅客列車，亦包括了K3/4次國際聯運列車在集寧南至二連之間的牽引任務。2012年至2015年，集寧機務段曾派出3台東風4D型准高速機車（3207～3209）入助太原鐵路局太原機務段，用於牽引南同蒲鐵路的客運列車。2013年起，隨著集寧機務段開始配屬韶山9型電力機車，東風4D型准高速機車逐漸退出了京包線特快列車交路。2019年5月，集寧機務段的東風4D型3207號及3208號機車參與了呼張客運專線聯調聯試[13]。
北京鐵路局自2000年起開始配屬東風4D型准高速機車，並曾經是東風4D型准高速機車的最大用戶，截至2004年末共配屬該型機車98台，其中天津機務段83台、保定機務段7台、邯鄲機務段6台、北京西機務段2台，主要用於牽引京山鐵路（北京—天津—山海關）、京滬鐵路（北京—天津—徐州）、京秦鐵路（北京—秦皇島）、津霸鐵路（天津—霸州）、京九鐵路（北京西—霸州—聊城）的客運列車。2005年，北京鐵路局實施生產力布局調整後，北京鐵路局的東風4D型准高速機車全部配屬北京機務段，分屬北京西、天津運用車間。2010年，部分准高速型機車調入石家莊電力機務段。2013年，由於北京機務段向天津機務段（天津機務段於2011年11月重新成立）轉配部分東風11型柴油機車，同時天津機務段開始支配運用HXD3C型電力機車，因此天津機務段又向唐山機務段、石家莊電力機務段調出了部分東風4D型准高速機車。2014年7月，北京鐵路局開通營運連接京津冀城市群的京津冀鐵路快運專列，並由天津機務段的東風4D型准高速機車牽引。2015年4月，天津至薊州的津薊鐵路市郊客運列車正式通車，使用天津機務段天津北運用車間的東風4D型准高速機車牽引。截至2016年末，北京鐵路局配屬東風4D型准高速機車40台，分別配屬天津機務段、北京機務段、石家莊電力機務段。2018年起，天津機務段開始封存部分車況欠佳的准高速內燃機車。2019年10月，天津機務段的兩台東風4D型准高速機車參與了京張城際鐵路通車前的聯調聯試。2020年7月，天津機務段的兩台東風4D型准高速機車轉配屬石家莊電力機務段陽泉運用車間，參與陽大鐵路（陽泉城際鐵路）通車前的聯調聯試。
濟南鐵路局於2001年配屬首批7台東風4D型准高速機車，其中4台分配到濟南機務段（3116~3118、3120），3台分配到徐州機務段（3119、3154、3155），投入京滬鐵路（濟南—徐州—蚌埠）運用。2002年，濟南機務段增配1台機車（3244），徐州機務段增配4台機車（3240~3243）。至同年底，濟南鐵路局共配屬12台該型機車，主要擔當京滬鐵路、石德鐵路、膠濟鐵路、藍煙鐵路、兗石鐵路的客運牽引任務。2006年，為配合青藏鐵路全線通車，濟南機務段將4台東風4D型准高速客運機車（3116～3119）調撥給青藏鐵路公司西寧機務段。2010年10月起，濟南機務段開始配屬HXD3C型電力機車。此後，濟南機務段的東風4D型准高速客運機車陸續轉配哈爾濱鐵路局。
鄭州鐵路局鄭州機務段於2000年配屬首台東風4D型准高速客運機車（0060），隨後又於分別2002年增加21台（3178~3187、3221~3231）、2003年增加10台（3271~3280），曾長期擔當鄭州至徐州、蚌埠、阜陽間的旅客列車牽引任務。2006年，京滬鐵路及隴海鐵路鄭州至徐州段完成電氣化改造後，鄭州機務段增配韶山7E型電力機車擔當鄭州至上海的客運機車長交路。此後，隨著鄭州機務段先後增配HXD3型、HXD3C型電力機車，該段配屬的東風4D型准高速客運機車亦逐步調往武漢鐵路局、哈爾濱鐵路局和南寧鐵路局。2012年7月，鄭州機務段的東風4D型准高速客運機車全部調出。
武漢鐵路局武昌南機務段於2007年起接收了部分從鄭州鐵路局鄭州機務段轉配的東風4D型准高速客運機車，主要用於牽引武九鐵路及京九鐵路方向（武昌（漢口）—九江—南昌）的旅客列車。2009年，武昌南機務段向襄樊北機務段調出東風4D型准高速客運機車，擔當焦柳鐵路和鴉宜鐵路（襄樊—宜昌、宜昌—石門縣北）的客運牽引任務。截至2009年末，襄樊北機務段配屬8台東風4D型准高速客運機車（3060、3178、3180、3182、3184、3275、3276、3277）。隨著焦柳鐵路洛陽至張家界段完成電氣化改造，襄陽機務段（襄樊北機務段於2011年6月改稱襄陽機務段）開始支配運用江岸機務段的HXD3C型電力機車。2014年，襄陽機務段的東風4D型准高速客運機車全部轉配哈爾濱鐵路局三棵樹機務段。
上海鐵路局上海機務段、杭州機務段、南京（南京東）機務段、合肥機務段、阜陽機務段均曾經配屬東風4D型准高速客運機車。2000年，阜陽機務段開始配屬首批15台機車（3035~3042、3053~3059），擔當京九鐵路聊城至阜陽之間的旅客列車牽引任務。2001年，上海機務段配屬4台東風4D型准高速客運機車（3071～3074），投入滬寧鐵路並用來牽引滬寧城際特快列車；同年，另外12台機車（3075~3080、3141~3146）交付杭州機務段，投入滬杭鐵路、浙贛鐵路使用。2002年，上海鐵路局繼續增配東風4D型准高速客運機車，其中杭州機務段增加32台（3189~3197、3204~3206、3214~3320、3252~3257、3264~3270），上海機務段增加1台（3188）。2003年，上海鐵路局增配10台東風4D型准高速機車，分配到杭州機務段（3281~3285）、南京機務段（3306~3307）、合肥機務段（3308~3310）；同時，阜陽機務段接收戚墅堰機車車輛廠新造的東風11型柴油機車，替換下來的東風4D型准高速客運機車轉配屬上海機務段，同時並將上海機務段的東風4D型提速客運機車轉配屬杭州機務段及南京機務段。當時，上海機務段的東風4D型准高速客運機車主要用於上海—南京—蚌埠、上海—杭州—金華西之間的機車交路。2004年，中國鐵路實施第五次大面積提速後，上海機務段的所有東風4D型准高速客運機車分別轉配屬南京機務段、杭州機務段及合肥機務段，擔當滬杭鐵路、浙贛鐵路、蕭甬鐵路、寧銅鐵路、皖贛鐵路、宣杭鐵路、淮南鐵路、阜淮鐵路、水蚌鐵路等線的客運任務。當時，上海鐵路局共配屬74台東風4D型准高速客運機車，其中杭州機務段48台、南京機務段10台、合肥機務段16台。2010年起，隨著上海鐵路局不斷增配各種型號的電力機車，部分東風4D型准高速客運機車被調撥給南寧鐵路局、瀋陽鐵路局、哈爾濱鐵路局及烏魯木齊鐵路局。2017年，隨著阜淮鐵路和淮南鐵路完成電氣化改造，合肥機務段增配HXD3C型電力機車和東風11型柴油機車，東風4D型准高速客運機車運用範圍進一步縮小，部分狀況欠佳的機車開始被封存。同年，南京東機務段和杭州機務段的東風4D型准高速客運機車全部調出。2019年2月，皖贛鐵路蕪湖至宣城段和宣杭鐵路完成電氣化改造，合肥機務段的東風4D型機車退出合肥—蕪湖—杭州的圖定客運交路，部分機車分別被封存於蕪湖東運用車間及淮南西運用車間等地。2020年5月，部分封存機車重新啟用並調撥到呼和浩特局集團公司和成都局集團公司。
南昌鐵路局南昌機務段、向塘機務段、鷹潭機務段均配屬或曾經配屬東風4D型准高速客運機車。2000年，南昌機務段配屬首批10台東風4D型准高速客運機車（3043~3052），擔當京九鐵路阜陽—南昌—贛州之間的客運交路。2001年，為配合全國鐵路第四次大提速的實施，南昌機務段增配了多達35台東風4D型准高速客運機車（3061~3070、3081~3085、3121~3140），投入京九鐵路和浙贛鐵路運用，擔當南昌至株洲、金華西、龍川間的客運牽引任務，同時並淘汰了該段的所有ND2型柴油機車。2003年至2004年，南昌機務段繼續增配了8台機車（3261~3263、3286~3290）。至2004年底，南昌機務段配屬共53台東風4D型准高速客運機車。2006年6月，為配合青藏鐵路全線開通，南昌機務段將東風4D型3125號及3139號機車調撥給青藏鐵路公司西寧機務段。2007年中國鐵路第六次大提速後，南昌機務段的東風4D型准高速機車交路進一步延長，以南昌為中心、東至上海、西至株洲、北至阜陽、南至深圳均可見其蹤影。2013年至2014年間，隨著南昌機務段增配HXD1D、HXD3D型電力機車，南昌機務段逐步向向塘機務段和鷹潭機務段（鷹潭機務段於2011年重新成立）調出東風4D型准高速客運機車，另外亦有部分機車轉配屬成都鐵路局用於新線開通前的聯調聯試。至2014年底，南昌機務段的東風4D型准高速客運機車已全部調走。向塘機務段及鷹潭機務段的東風4D型准高速客運機車，主要用於牽引滬昆鐵路（株洲—向塘—鷹潭—金華西—上海南）、京九鐵路（向塘—贛州）、皖贛鐵路及寧蕪鐵路（鷹潭—績溪縣—南京）的旅客列車。2018年起，向塘機務段開始利用東風4D型准高速機車牽引小運轉貨物列車，鷹潭機務段也將部分狀況較差的東風4D型機車封存於景德鎮運用車間。
南寧鐵路局（原柳州鐵路局）於2001年起配屬東風4D型准高速客運機車。2001年，首批5台機車（3107～3111）配屬柳州機務段，擔當湘桂鐵路的特快旅客列車牽引任務。2002年至2003年，按照柳州鐵路局「增噸、壓點、加密、提速」的方針，為桂林機務段配屬了10台東風4D型准高速客運機車（3173～3177、3291～3295）。2005年4月，桂林機務段合併到柳州機務段，原擔當交路改由柳州機務段擔當。自此，柳州機務段的東風4D型准高速機車主要擔當湘桂鐵路衡陽—柳州—南寧、黎湛鐵路柳州—玉林—湛江之間的客運交路。2010年起，焦柳鐵路柳州至懷化、益湛鐵路永州至玉林間的部分客運列車亦開始使用東風4D型機車牽引。2011年至2012年，南寧鐵路局從鄭州鐵路局和上海鐵路局調入東風4D型准高速機車。2016年，柳州機務段的部分東風4D型機車轉配南寧機務段，將其投入南憑鐵路（湘桂鐵路南寧至憑祥段）運用，並開始擔當T8701/8702次中越國際聯運列車在南寧至同登之間的牽引任務，而置換出來的東風4B型機車則調整至湘桂鐵路北段運用。2019年2月，朝鮮國務委員長金正恩與美國總統唐納·川普在越南舉行第二次朝美首腦峰會，金正恩乘坐的專列取道中國前往越南河內；2月26日上午，金正恩專列由南寧機務段的東風4D型3058號機車牽引，經南憑鐵路從南寧抵達越南邊境城市同登車站[14]。
成都鐵路局為滿足高鐵新線開通前的檢測需要，於2013年起配屬東風4D型准高速客運機車。2013年，成都機務段和貴陽機務段接收了部分從南寧鐵路局柳州機務段轉配的東風4D型准高速客運機車，主要用於在高速鐵路開通前牽引檢測列車進行時速160公里以下的各種試驗。2014年6月，因應川渝貴三省市之間的多條鐵路即將建成，南昌鐵路局南昌機務段向重慶機務段轉配了7台東風4D型准高速客運機車。2013年至2021年，成都鐵路局的東風4D型准高速客運機車先後參與了渝利鐵路、重慶樞紐貨車外繞線、貴開城際鐵路、貴廣客運專線、成綿樂客運專線、成渝客運專線、渝萬城際鐵路、滬昆客運專線、蘭渝鐵路、西成客運專線、渝貴鐵路、成雅鐵路、成蒲鐵路、成貴客運專線、安六高速鐵路、綿瀘高速鐵路內自瀘段的聯調聯試。此外，成都機務段於2017年與武漢征原電氣公司合作對東風4D型3137號機車進行了DC600V機車直供電改造，使機車能夠向旅客列車直接提供單路600V直流電源；機車以直供電整流櫃和牽引整流櫃代替了原來的矽整流裝置，兩者並聯在牽引發電機的輸出端，通過PID閉環調節方式控制閘流體整流橋電路，並以ZY2000微電腦控制系統代替了勵磁調節裝置，牽引功率可按列車供電輸出功率自動轉移，最大供電功率為400千瓦[15]。
烏魯木齊鐵路局於2000年起配屬東風4D型准高速客運機車，當年首批3台機車配屬哈密鐵路分局柳園機務段（3013~3015），至2001年又再度增配2台機車（3152~3153），與東風11型柴油機車（高原型）共同擔當蘭新鐵路哈密—柳園—嘉峪關間的提速旅客列車牽引任務。2004年，根據鐵道部生產力布局調整指導意見，烏魯木齊鐵路局將柳園機務段劃歸哈密機務段，設哈密機務段柳園機務分段。2006年2月，隨著生產力布局調整的進一步實施，烏魯木齊鐵路局撤銷哈密機務段，將其整體併入烏魯木齊機務段，烏魯木齊鐵路局的東風4D型准高速機車均配屬於烏魯木齊機務段。北疆鐵路和蘭新鐵路全線分別於2011年和2012年完成電氣化後，烏魯木齊鐵路局的東風4D型機車主要用於奎北鐵路（奎屯—阿勒泰）、南疆鐵路（吐魯番—喀什）、喀和鐵路（喀什—和田），亦有少數東風4D型准高速客運機車轉配給庫爾勒機務段。2015年，南疆鐵路吐魯番至庫爾勒第二雙線開通後，東風4D型機車的運用範圍進一步收縮。2018年，魚焉鐵路（老南疆鐵路天山段）恢復開行庫爾勒至和靜的快速旅客列車，使用烏魯木齊機務段的東風4D型准高速機車牽引。
青藏鐵路公司於2006年起配屬東風4D型准高速客運機車。2006年5月至6月，為確保青藏鐵路於當年7月1日全線開通，鐵道部指示哈爾濱鐵路局、瀋陽鐵路局、濟南鐵路局、上海鐵路局、南昌鐵路局、柳州鐵路局抽調出共27台東風4D型准高速客運機車，調撥給青藏鐵路公司西寧機務段使用，擔當蘭青鐵路蘭州至西寧、青藏鐵路西寧至格爾木區段的旅客列車牽引任務，這批機車於2006年6月5日全部抵達西寧機務段。與此同時，東風4D型准高速客運機車還參與了青藏鐵路格拉段的旅客列車高原綜合運轉試驗，並成功重聯牽引16輛編組的25T型高原客車到達拉薩[16]。2006年7月1日晚上8時07分，作為青藏鐵路首發進藏列車的N917次旅客列車，由東風4D型3199號及3200號機車雙機重聯牽引從西寧站出發[17]。2009年8月，蘭青鐵路完成增建二線及電氣化改造後，該線客運機車交路交由蘭州鐵路局蘭州西機務段的韶山7E型電力機車擔當，替換下來的東風4D型准高速客運機車改為用於牽引青藏鐵路西格段的行包列車。2011年，隨著青藏鐵路西格段複線電氣化竣工，西寧西至格爾木間的客運機車交路由西寧機務段的HXD1C型電力機車和東風4D型柴油機車共同擔當。2014年12月10日實施新運行圖安排以後，HXD1D型電力機車（高原型）投入青藏鐵路運用，西寧機務段的東風4D型准高速客運機車退居二線，部分機車轉為西寧站的專用調車機車，負責西寧客技站內客車底解編，併兼顧西寧站客車底取送作業，而部分狀況較差的機車則開始被封存。2016年6月，青藏鐵路公司首次開行前往茶卡鹽湖景區的季節性旅遊列車，列車在茶卡鐵路察汗諾至茶卡之間使用東風4D型准高速機車牽引。2020年6月，西寧機務段派出兩台東風4D型准高速機車牽引格庫鐵路青海段的聯調聯試動態檢測列車[18]。
內蒙古集通鐵路集團公司是東風4D型准高速客運機車在中國國家鐵路以外的唯一一個地方鐵路用戶。集通鐵路公司於2007年訂購了11台東風4D型准高速客運機車（3323～3333），這批機車改用了最大運用速度為150公里/小時的牽引齒輪傳動比，以適應集通鐵路部分區段坡度較大的情況。2012年，集通鐵路公司再次向北車大連機車車輛公司訂購了另外7台東風4D型准高速客運機車（3334～3340），這批機車的牽引齒輪傳動比又與前一批機車不同，最大運用速度為170公里/小時。集通鐵路公司的東風4D型准高速客運機車全部配屬大板機務段，主要擔當集寧南—大板—通遼之間的客運交路，另外亦被用於牽引錫桑鐵路、錫烏鐵路、錫二鐵路的旅客列車。
1990年代初，因應中國西南地區山區鐵路彎道多、曲線半徑小的實際情況，中國開始進行關於機車自導式轉向架的設計及研究。1995年，鐵道部科教司正式將機車轉向架的研製列入「九五」鐵路科技發展規劃，並分別向大連機車車輛廠和戚墅堰機車車輛廠下達了研製任務。當時，大連機車車輛廠曾提出以東風6型機車為基礎，吸收東風10D型柴油機車的先進技術和經驗，開發研製採用自導式轉向架和25噸軸重的東風6A型柴油機車[19]。柔性自導向自導式轉向架由大連機車車輛廠聯合上海鐵道大學和西南交通大學研製，設計方案於1996年底進行了廠內設計審查，但由於東風6型機車因故未能投入批量生產，東風6A型機車的研製亦因而被擱置。1998年，大連機車車輛廠研製出東風4D型貨運機車後，根據鐵路運輸的發展需要決定重啟自導式轉向架機車的研製。2000年5月，大連機車車輛廠研製的三軸自導式轉向架完成試製，並在鐵道部科學研究院進行了一系列性能試驗。2000年7月，首台裝用自導式轉向架的東風4D型7001號機車在大連出廠。
東風4D型自導式轉向架機車是在東風4D型貨運機車的基礎上研製而成的幹線貨運機車，如動力裝置、傳動系統、輔助系統等機車主要結構和性能都與貨運型機車大致相同，最大運轉速度為100公里/小時，走行部改為採用兩台更適合山區小半徑曲線路線的三軸自導向自導式轉向架。自導式轉向架增加了幫助輪對徑向調整的蠕滑自導向、兩端軸耦合轉動機構，轉向架兩端第一軸和第三軸可以在車輛通過曲線的時候和軌道平行，每個輪對都可以根據路線實際情況做左右轉向運動，當機車通過曲線時能自動減小輪軌沖角，適用於山區曲線多、半徑小路線上的重載貨運列車牽引。由於每台自導式轉向架比普通轉向架重2.6噸，因此車體根據准高速客運型機車的結構進行了輕量化設計，以滿足軸重23噸的要求。轉向架與車體之間的牽引裝置結構亦有所變化，轉向架端梁和連結器緩衝器座之間有低位牽引杆裝置相連，取代了普通轉向架的平行四桿牽引機構。基礎制軔方式採用帶閘瓦間隙自動調節器和彈簧停車制軔裝置的單元制軔裝置，代替了一般貨運型機車的單側單閘瓦槓桿制軔裝置。此外，由於轉向架固定軸距及構架長度延長，故油箱容量亦由9000升減少至8000升[12]。
2001年2月至3月，東風4D型7001號機車根據鐵道部要求，與同樣配備自導式轉向架、由戚墅堰機車車輛廠試製的東風8B型7001號機車一起，由鐵道部產品品質監督檢驗中心負責進行徑向性能及動力學試驗。機車首先在北京環形鐵道完成地面輪軌力測試，最高試驗速度達到110公里/小時，隨後又在京承鐵路北京東至洞廟河區段進行正線運轉試驗[20]。2001年4月，東風4D型7001號機車在天津鐵路分局管內唐遵鐵路進行小半徑曲線粘著性能試驗。試驗結果顯示，在各種小半徑曲線上自導式轉向架的黏著係數都比普通轉向架有所提高，例如在曲線半徑為300米時黏著係數比例行機車高6.8%，起動黏著係數高7.2%，而且曲線半徑越小，提高幅度相對越大，證明了採用自導式轉向架可以有效提升曲線區段的牽引能力。
2001年10月起，東風4D型7001號機車配屬北京鐵路局豐臺機務段正式開始運用考核，在京原鐵路豐臺西至靈丘段擔任貨物列車牽引任務。至2002年9月，該機車共走行92964公里後，根據鐵道部令調往柳州鐵路局金城江機務段，於黔桂鐵路繼續運用考核。2002年10月，東風4D型7001號機車在以彎道多、曲線半徑小、坡度大而著名的黔桂鐵路金城江至麻尾區段進行牽引性能試驗，採用東風4D型7001號機車及東風7D型柴油機車重聯牽引，以便與一般情況下使用的東風7D型機車雙機重聯牽引作對比試驗。得益於東風4D型自導式轉向架機車較大的功率和良好的曲線粘著性能，當兩台機車重聯牽引1258噸通過25‰坡道時的平衡速度可達31.7公里/小時，比東風7D型機車雙機重聯牽引時提高近10公里/小時。2003年7月，東風4D型7001號機車完成了15萬公里運用考核。在近兩年的實際使用中，該機車表現出良好的動力學性能和曲線通過能力，輪緣磨損約為普通轉向架的10%左右，司機普遍認為該車在山區路段行駛穩定性好，在山區坡道速度提升快，輪軌沖角和摩擦聲音都有明顯減小[21]。
2002年底，柳州鐵路局向大連機車車輛公司訂購20台東風4D型自導式轉向架貨運機車（7002～7021）[22]，使其成為中國鐵路第一款投入批量生產的自導式轉向架機車。有別於首台原型車，後20台機車採用了具備標準化操縱台的標準化司機室。這批機車於2003年6月30日起陸續配屬柳州機務段。2004年，原配屬金城江機務段的東風4D型7001號機車亦轉配柳州機務段。柳州鐵路局的東風4D型自導式轉向架貨運機車主要擔當焦柳鐵路柳州（柳州南）至懷化（懷化南）間的客、貨列車牽引任務，貨物列車牽引定數為3500噸，其中四台機車固定擔任八斗至牙屯堡區間的補機。2004年4月，鐵道部批准將該區段使用東風4D型機車牽引的貨物列車重量提高至3800噸[23]。
根據柳州機務段的統計，自導式轉向架機車的輪緣磨耗率比普通轉向架機車大幅減少74%，但在使用過程中也發現自導式轉向架存在轉動機構磨耗及鏽蝕、構架及制軔單元槓桿裂紋、軸箱軸承易發生故障、轉向架維修困難等問題，對機車可靠性造成不利影響[24]。為此，大連機車車輛公司對自導式轉向架制定了局部改進方案，自2005年10月起在柳州機務段對機車陸續進行中級檢修時實施改造。然而，在已完成中級檢修的14台機車之中，所有自導式轉向架均被發現存在大量不同程度的構架裂紋，嚴重危及行車安全[註 5]。2006年9月，鐵道部要求所有裝用自導式轉向架的東風4D型機車分批送返大連機車車輛廠更換為普通轉向架，全數21台機車於2007年3月完成改造。
2010年至2012年，鐵道部將過百台的東風8B型柴油機車從北京、濟南、鄭州、西安鐵路局調撥給南寧鐵路局，配屬柳州機務段並投入焦柳鐵路南段使用。2012年，東風4D型自導式轉向架機車在退出焦柳鐵路後，改為用於牽引湘桂鐵路和黎湛鐵路（柳州南—南寧南—湛江）的直通貨物列車。2013年，東風4D型7001～7021號機車由柳州機務段轉配到南寧機務段，擔當黎湛鐵路和河茂鐵路（玉林—茂名—湛江）的貨物列車牽引任務。2016年起，東風4D型自導式轉向架機車開始投入南憑鐵路（湘桂鐵路南寧至憑祥段）運用，並負責南寧至越南同登之間中越國際聯運貨物列車和跨境貨櫃直通列車的牽引任務。2020年底，焦柳鐵路電氣化完成，柳州機務段將大量DF8B型柴油機車轉配南寧機務段，因此DF4D-7000機車重新回到柳州機務段，用於牽引湘桂鐵路，來合鐵路，屯秋鐵路的貨物列車。
1999年，大連機車車輛廠為達成鐵路公司研製了東風4DF型柴油機車。東風4DF型機車是在東風4D型提速客運機車基礎上開發研製的幹線客貨運通用柴油機車，不僅增加了向旅客列車供電的功能，並採用了DLC型微電腦控制系統，既能牽引列車又可以取代客運列車中的電源車向列車空調、電加熱器和照明等供電。機車動力裝置採用16V240ZJD型柴油機，牽引傳動系統採用JF210型主副共軸同步發電機和ZD109B型牽引馬達，列車供電制式為380伏特三相交流電。機車標稱功率為3,300馬力（2,425千瓦），向列車供電時機車標稱功率則調整為2,870馬力（2,110千瓦），最大運用速度為120公里/小時。1999年至2004年間，大連機車車輛廠共生產了25台東風4DF型機車，分別交付達成鐵路公司和石長鐵路公司使用。
1998年，為滿足地方廠礦企業對大功率調車機車的需求，大連機車車輛廠開始研製以東風4D型柴油機車為基礎的重型調車機車。1999年6月，首台東風4DD型調車機車在大連機車車輛廠落成。東風4DD型調車機車主要用於重載調車編組以及小運轉作業，在HXN3B型及HXN5B型柴油機車這兩款4400馬力交流傳動調車機車面世以前，東風4DD型柴油機車曾經是中國國內功率最大的調車機車。根據調車機車的運用特點和需要，該型機車採用外走廊式底架承載的車體結構。動力裝置採用16V240ZJD型柴油機，高溫冷卻水系統、輔助傳動裝置、燃油系統及控制系統與東風4D型提速客運機車基本相同。牽引傳動系統採用TQFR-3000E型同步發電機和ZD109B型牽引馬達，控制部分採用DLC型微電腦控制系統。柴油機裝車功率為4,000馬力（2,940千瓦），機車標稱功率為3,300馬力（2,425千瓦），最大運用速度為80公里/小時。
1990年代，鐵道部決定在第九個五年計劃期間著手開發以交流傳動技術為主要特徵的中國第四代內燃機車。為了儘快縮短中國與國際先進水平的差距，鐵道部決定在交流傳動內燃機車的發展上，選擇與國外廠商合作並直接引進最新技術。1999年，大連機車車輛廠與德國西門子公司簽訂了共同研製的交流傳動柴油機車的合作協議。2000年，大連機車車輛廠先後試製了兩台東風4DAC型柴油機車（DF4DAC 8001～8002），鐵道部並於同年底將該型機車型號定名為東風4DJ型柴油機車（DF4DJ 0001～0002）。東風4DJ型柴油機車是以東風4D型提速客運機車為基礎的交流傳動試驗性車型，柴油機、轉向架和機械裝置由大連機車車輛廠提供，主發電機採用按照西門子公司技術要求、委託由永濟電機廠製造的JF216型同步發電機，牽引傳動系統則應用了西門子公司提供的IGBT牽引變流器、1TB2630型交流異步牽引馬達和SIBAS 32微電腦控制系統。動力裝置採用16V240ZJD型柴油機，柴油機裝車功率為4,000馬力（2,940千瓦），機車標稱功率為3,300馬力（2,425千瓦），最大運用速度為145公里/小時。
1999年，為滿足中國鐵路「貨運重載、客運提速」的需要，大連機車車輛廠開始研製單機功率更大的柴油機車。2000年，大連機車車輛廠先後試製了第一台5200馬力幹線貨運柴油機車和第一台5200馬力幹線客運柴油機車，並向鐵道部申請將該兩種機車分別命名為東風8D型柴油機車和東風11D型柴油機車，而鐵道部則對該兩種機車分別暫定命名為東風8B型3001號機車和東風11型3001號機車。這兩款機車都是以東風4D型柴油機車為基礎，在同一設計平台上開發研製的5200馬力柴油機車。機車動力裝置採用大連機車車輛廠與美國西南研究院聯合開發、採用電子控制燃油噴射系統的12V280ZJ型柴油機，裝車功率為5,200馬力（3,820千瓦）。牽引發電機採用JF212型無刷勵磁同步發電機。貨運機車和客運機車分別採用ZD109D型和ZD106A型牽引馬達。機車總體布置、冷卻水系統、空氣濾清系統、輔助傳動系統、轉向架等部分的設計均與東風4D型機車相似。這兩台機車於2002年完成了15萬公里運用考核後，由於中國鐵路技術政策發生重大轉變，該兩種機車未能投入批量生產。
東風4D型柴油機車作為中國鐵路其中一種技術最為成熟的車型，因此也成為多種出口機車的技術基礎，包括：
東風4D型柴油機車是幹線客貨運用的六軸柴油機車，機車標稱功率為3,300馬力（2,425千瓦），貨運型及自導式轉向架型機車的構造速度為100公里/小時，提速客運型機車的構造速度為145公里/小時，准高速客運型機車的構造速度為170公里/小時。運轉整備重量為138噸；部分貨運型機車採用25噸軸重，運轉整備重量為150噸。
東風4D型機車採用雙司機室、內走廊式、全鋼焊接結構的框架式側牆承載車體，車體由左右側壁、底架、車頂、內部隔牆、兩端司機室等部分焊接在一起，車體主要骨架採用16Mn低合金鋼材。從1998年生產的東風4D型0046號機車開始，車體側牆蒙皮鋼板使用了預應力焊接技術，以控制薄鋼板的焊接變形和改善側牆蒙皮的平面度。早期生產的東風4D型0001～0150號提速客運機車採用與東風4C型機車相同的車體外形，從東風4D型0151號機車起採用新的車頂圓弧外形，以降低高速運轉時的風阻和噪音。車體長度為20,660毫米，連結器中心線間距為21,100毫米，車體寬度為為3,309毫米，提速客運型及貨運型機車的車體高度為4,500毫米，准高速客運型及自導式轉向架型機車的車體高度為4,532毫米。車體兩端設有同等功能的司機室，可雙向操縱機車。車體底架兩端裝有13號下作用連結器和牽引緩衝裝置。每節機車的車體底架下部兩台轉向架之間吊掛著一個燃油箱，提速客運型及貨運型的燃油箱容量為9,000升，准高速客運型為6,500升，自導式轉向架型為8,000升。燃油箱兩側設有鉛酸蓄電池組，燃油箱前後端各裝有一個總風缸。
機車從前到後分別為第一司機室、電氣室、傳動室、動力室、冷卻室、輔助室、第二司機室七個部分，除司機室外其餘各室頂部均設計成活動頂蓋，以便拆裝車內部件。司機室內機車運轉方向的左側設有包含一系列儀表和按鈕的司機操縱台、氣軔機的自動制軔閥和單獨制軔閥等，右側設有副司機座席、控制開關及電爐等，司機室還設有空調和電冰箱，司機室後壁設有手制軔裝置手輪。2003年以後生產的東風4D型機車（從4094號貨運型機車、3213號准高速客運機車開始）改為採用標準化司機室，司機操縱台的各項設備布置均按照鐵道部的標準化規定，而外觀上較顯著的區別包括下拉式活動側窗、無金屬外框標誌燈、前窗玻璃雨刷下置、無玻璃窗的司機室門等。電氣室內設有電氣控制櫃及制軔電阻櫃。傳動室內設有主矽整流櫃、勵磁整流櫃等電氣設備，以及由啟動變速箱驅動的起動發電機、勵磁機、測速發電機、前轉向架牽引馬達通風機等輔助設備。位於機車中部的動力室內安裝了一套柴油發電機組，並設有空氣濾清器、燃油濾清器、燃油輸送泵、機油濾清器、機油熱交換器、膨脹水箱等輔助設備。動力室頂棚兩側設有車體通風機，將柴油機運轉時產生的燃氣和熱風抽出。為了方便對動力裝置的檢修，機車除了在司機室設有側門外，在動力室的兩側也設有一對側門。
冷卻室內設有冷卻水系統和散熱裝置，冷卻室頂部裝有V型結構的銅管肋片式散熱器，及以兩個直徑為1,600毫米的軸流式冷卻風扇，冷卻風扇由靜液壓馬達傳動。機車設有兩套獨立的循環冷卻水系統，分別為冷卻柴油機的高溫冷卻水系統（12個散熱器單節），以及冷卻增壓空氣、機油、靜液壓傳動油的低溫冷卻水系統（32個散熱器單節）。東風4D型機車早期曾採用傳統的焊接結構扁管肋片式散熱器，容易出現扁管斷裂導致冷卻水洩漏的問題，因此大連機車車輛廠後來設計了機械脹接式散熱器，於2000年先後在多台准高速客運機車上試用（瀋陽機務段的東風4D型3002號機車、天津機務段的3022～3029號機車），並於2001年通過鐵道部技術評審後推廣使用。東風4D型機車並採用了與東風6型機車相同的加壓封閉循環高溫冷卻系統、密閉壓力水箱和機油熱交換器。散熱器下方設有靜液壓變速箱、後轉向架牽引馬達通風機、空氣壓縮機等，柴油機自由端通過傳動軸與靜液壓變速箱相連，並通過尼龍繩傳動軸帶動後轉向架牽引馬達通風機。冷卻室左右兩側側壁各設有六個通風百葉窗口。輔助室內設有預熱鍋爐、空氣乾燥器、空調電源設備和控制箱等。氣軔裝置採用JZ-7型氣軔機（准高速客運型機車使用JZ-7型電氣指令式空氣軔機機）。軔機採用兩台NPT5型空氣壓縮機與之配合，軔機可以單獨軔機車或同時軔機車和列車。停車制軔採用手制軔裝置。
東風4D型機車裝用一台由大連機車車輛工廠製造的16V240ZJD型柴油機，該型柴油機是在16V240ZJB型和16V240ZJC型柴油機的基礎上，通過與英國里卡多公司的技術合作對柴油機結構作出改良，於1986年開發完成的大功率柴油機，為240/275系列柴油機產品之一。16V240ZJD型柴油機是一款16氣缸、四行程、V型結構、直接噴射（部分採用電子噴射技術）、廢氣渦輪增壓、增壓空氣中間冷卻的中速柴油機。氣缸內徑為240毫米，活塞行程為275毫米，氣缸V形夾角為50°，額定轉速為每分鐘1000轉，最低空載轉速為每分鐘430轉，平均有效壓力為1.774兆帕，UIC標定功率為4,400馬力（3,240千瓦），裝車功率為4,000馬力（2,940千瓦），額定滿功率運轉時的燃油消耗量為152克/有效馬力·小時（207克/有效千瓦·小時），設計使用壽命為25000小時。
東風4D型機車所採用的16V240ZJD型柴油機，除了根據東風6型機車在運用考核期間的發現的問題作出改良，還應用了部分為16V240ZJE型柴油機設計的零部件，使其可靠性得到進一步的提高。柴油機採用鑄焊組合結構的六面體式機體，由整體鑄鋼懸掛式主軸承座和鋼板件組焊而成，並採用內外縱分隔的箱形結構和半隧道式的拱形曲軸箱。氣缸由全加工厚壁氣缸套和冷卻水套組成。曲軸採用帶有16塊平衡鐵的稀土合金球墨鑄鐵曲軸。活塞最初採用組合式鋼頂鋁裙活塞，但機車行駛20萬公里左右便發生活塞裙部大批碎裂的問題，後來於是改用鋼頂鐵裙活塞，並對鋼頂鋁裙活塞重新設計。柴油機採用定壓增壓系統，在V形夾角上方布置有排氣總管和進氣道，左右兩側氣缸排出的廢氣通過排氣支管和總管，分別進入兩台渦輪增壓器推動渦輪後排出，而新鮮空氣由安裝在車體上的空氣濾清器吸入，經增壓器增壓後流經中冷器進行冷卻，然後通過進氣穩壓箱和進氣支管進入各個氣缸。增壓器可選用VTC254-13型（江津增壓器廠引進瑞士ABB技術）或ZN290型（天津機車車輛機械廠，基於VTC254-13型增壓器）。
在1999年生產的東風4D型3001號、3002號准高速客運機車上試驗性安裝了16V240ZJE型柴油機。16V240ZJE型柴油機是在16V240ZJD型柴油機的基礎上，由大連機車車輛廠與英國里卡多公司繼續進行技術合作而開發的大功率柴油機，通過提高高壓油管壓力和燃燒爆發壓力等手段，將標定功率進一步提高到5,400馬力（3,680千瓦）。與16V240ZJD型柴油機相比，16V240ZJE型柴油機的強化程度提高了38.6%，最大氣缸壓力提高了19%，平均有效壓力可達2.22兆帕。16V240ZJE型柴油機從1989年開始研製，期間經歷了漫長的單缸機試驗、多缸機試驗、原型機性能試驗及耐久性試驗，反覆查找不足並作出改進，至1998年試製出首兩台16V240ZJE型柴油機，並於1999年安裝在首兩台東風4D型准高速客運機車上。柴油機裝車功率為4,500馬力（3,310千瓦），機車標稱功率為3,850馬力（2,830千瓦），配用ABB VTC254-23型增壓器。由於柴油機提升功率後發熱量增大，高溫及低溫冷卻水系統的散熱器單節數量亦相應增加至14組和34組。
從2001年起生產的部分東風4D型准高速客運機車及貨運型機車採用了鑄造機體的16V240ZJF型柴油機，代替了採用焊鑄機體的16V240ZJD型柴油機。在東風4D型機車投入運用的首兩年，已經發現有10%的16V240ZJD型柴油機出現機體裂紋，因此大連機車車輛廠於1999年試製出首台採用鑄造機體的16V240ZJF型柴油機，並於同年12月進行了UIC 100小時性能試驗[41]。該型柴油機參考了由大連機車車輛廠和英國里卡多公司合作為16V240ZJE型柴油機設計的鑄造機體方案，機體是由球墨鑄鐵整體鑄造而成，機油及冷卻水管道均鑄造於機體內部，由氣缸套和機體之間的冷卻水腔代替原來的水套，合金鑄鐵氣缸套與16V240ZJE型柴油機相同，並採用了下置式單節凸輪軸和輕型薄殼式油底殼，其他主要零部件都可以和16V240ZJD型柴油機通用互換。2001年11月，大連機車車輛廠製造了五台16V240ZJF型柴油機，並將其安裝在東風4D型3147～3151號准高速客運機車上，配屬北京鐵路局天津機務段運用。16V240ZJF型柴油機於2002年起投入小批量生產。
東風4D型機車採用交—直流電傳動裝置，柴油機曲軸通過彈性聯軸節驅動一台交流同步發電機發出三相交流電，經由矽二極體組成的三相橋式整流裝置整流為直流電後，再將電能輸送給兩台轉向架上的六台並聯連接的直流牽引馬達，通過傳動齒輪驅動輪對。
牽引發電機採用永濟電機廠製造的TQFR-3000E型三相交流同步發電機，額定容量為2911千伏安，額定電壓為425／770伏特，額定電流為3955／2183安倍，額定轉速為每分鐘1000轉，定子及轉子絕緣等級均為H級，冷卻方式為徑向自通風式，主發電機淨重為5100公斤。與東風4C型機車採用的TQFR-3000B型同步牽引發電機相比，TQFR-3000E型牽引發電機具有較大的恆功調壓比，可以有效降低牽引馬達的磁場削弱深度。牽引發電機由一台GQL-45型三相感應子交流發電機勵磁，勵磁機由柴油機通過啟動變速箱驅動，其發出的交流電經勵磁整流器轉換為直流電後，給發電機的轉子勵磁線圈勵磁。
牽引發電機發出的三相交流電由矽整流裝置轉換成直流電，由風冷式矽二極體元件組成三相橋式全波整流電路。由於採用了新型大容量整流元件，所需元件數量比東風4B型及東風4C型機車大幅減少。提速客運型、貨運型及自導式轉向架型機車使用GTF-5100/1250型矽整流裝置，整流裝置有六個串聯的整流橋臂，每一橋臂有兩個並聯的ZP2500-28型整流二極體，每台機車共有12個整流二極體元件。矽整流裝置的最大直流輸出電壓為1250伏，額定直流輸出電流為5070安培。准高速客運型機車使用GTF-5070/1250型矽整流裝置，矽整流裝置有六個串聯的整流橋臂，每一橋臂有三個並聯的ZP2500-28型整流二極體，每台機車共有18個整流二極體元件。
提速客運型、貨運型及自導式轉向架型機車採用ZD109B型四極直流串勵牽引馬達。該型馬達實質上是滾動抱軸承版本的ZD109A型牽引馬達（用於東風4E型柴油機車），兩者的電氣參數和製造工藝基本相同，同樣吸收了在引進ND5型柴油機車時奇異向永濟電機廠轉讓的牽引馬達製造技術，例如壓型焊接機座、定子整體壓型線圈等，從而提高了額定電流和額定轉矩，大幅改善了機車持續牽引特性和恆功率範圍。ZD109B型牽引馬達的額定功率為530千瓦，額定電壓為670伏，額定電流為845安培，額定轉速為每分鐘770轉，最高轉速為每分鐘2,385轉，定子及電樞絕緣等級均為H級，冷卻方式為強迫通風。為了擴大機車的的恆功率調速範圍，還可以對牽引馬達進行一級磁場削弱；提速客運型機車的磁場削弱率初期為71%，自2000年以後在機車大修時統一改為66%，使機車最大恆功速度由132公里/小時提高到145公里/小時[42]。貨運型及自導式轉向架型機車的磁場削弱率為60%。
准高速客運型機車採用ZD106型四極直流串勵牽引馬達，與東風9型及東風11型准高速柴油機車相同。額定功率為530千瓦，額定電壓為680伏，額定電流為835安培，額定轉速為每分鐘955轉，最高轉速為每分鐘2,385轉，定子及電樞絕緣等級均為H級，冷卻方式為強迫通風。可對牽引馬達進行一級磁場削弱，磁場削弱率初期為58%，後來統一改為56%。
機車設有兩台二級電阻制軔裝置。在電阻制軔工況時牽引馬達變為他勵直流發電機工作，其激磁線圈全部串聯由牽引發電機經矽整流櫃供電，並由勵磁調節器通過控制勵磁機的勵磁，從而間接控制牽引發電機輸出給牽引馬達的勵磁電流；牽引馬達發出的電流輸入到車上兩個電阻制軔櫃，將電能通過電阻器轉化為熱能消耗掉。為了提高機車在低速行駛時的制軔力，電阻制軔分為兩級擴展特性控制。最大制軔電流限制為650安培，提速客運型、貨運型及自導式轉向架型機車的最大電阻制軔功率為3,700馬力（2,730千瓦），准高速客運型機車為3,750馬力（2,760千瓦）。此外，為了使機車在靜止狀態測定各檔位的輸出功率和性能，機車還可以利用制軔電阻作為自負荷試驗的負載。
東風4D型機車的控制系統採用由大連機車車輛廠研製的LTQ-II型勵磁調節器，同時還保留了由以往東風4B型及東風4C型機車沿用下來、由聯合調節器油馬達驅動功調電阻的勵磁調節裝置，兩者進行牽引工況時的恆功率控制，彌補了聯合調節器功調電阻勵磁系統反應時間長、動態性能差、在柴油機轉速每分鐘430～700轉以內不能進行恆功調節之缺陷，使柴油機在每分鐘430～1000轉範圍內保持恆功率調節，並可自動控制機車起動電流增長率和恆制軔功率。當功調電阻勵磁調節裝置發生故障時，微電腦控制的勵磁調節器仍然可以獨立運作。此外，勵磁調節器還負責電阻制軔工況的恆流控制[43]。
牽引發電機的勵磁電流是由勵磁機發出的交流電經勵磁整流櫃整流後供給，而勵磁機的勵磁電流則是由柴油機經啟動變速箱驅動的測速發電機供電。測速發電機的勵磁電流由110伏特輔助電源提供，並經過功率調節電阻和勵磁調節器控制[44]。功率調節電阻的滑動觸點由聯合調節器上的功率伺服油壓馬達帶動，它根據柴油機工作狀況（欠載或過載）自動地調節可變電阻器的阻值，從而改變測速發電機的勵磁電流，並經測速發電機和勵磁機二級放大後，間接地改變了牽引發電機的輸出功率。
微電腦控制的LTQ-II型勵磁調節器是以英特爾MSC-51單片機為核心，由逆變插件、斬波插件、電源插件、擴展插件、控制插件、調整插件組成。在牽引工況時，該系統接收從傳感器運送的各種反饋號誌，包括柴油機轉速、發電機輸出電壓、發電機輸出電流和機車速度號誌，由中央處理器將發電機電壓、電流、功率的號誌電壓，與對應於某個柴油機轉速下的預設基準電壓進行比較，經過比例積分運算後輸出一組數位訊號，再經由數字—模擬轉換晶片將之轉換成模擬號誌電壓，由PWM脈寬調製器來控制測速發電機之勵磁電流。在電阻制軔工況時，亦可由勵磁調節器控制牽引馬達的勵磁電流和制軔電流，其電路原理和牽引狀態下相似，只是反饋號誌、給定號誌和控制對象不同。
機車軸配置為Co-Co，走行部為兩台可互換的三軸轉向架。提速客運型和貨運型機車採用牽引馬達滾動抱軸的半懸掛轉向架，軸距為2×1,800毫米。除了牽引馬達懸掛方式有所不同外，其結構基本上沿用了東風4系列機車三軸轉向架的無導框、無心盤的傳統設計。轉向架採用鋼板組焊成封閉式箱形結構的「目」字形構架，由箱形截面的兩根側梁、兩根橫梁、前後端梁組焊而成，並分別焊有旁承座、拉杆座、外側彈簧座、牽引拐臂座、電機吊杆座、水平槓桿座、橫向止擋、制軔座、軔缸座及砂箱座等。
輪對軸箱內裝有圓柱滾子軸承，軸箱定位裝置採用拉杆式彈性定位結構，依靠裝有橡膠關節元件的軸箱拉杆來實現軸箱的橫向和縱向定位。轉向架採用四點支承的旁承裝置，車體全部重量通過八個旁承由兩台轉向架支承。此外，轉向架側梁與車體底架間還設有彈性側擋裝置，使轉向架進出曲線時能夠相對與車體進行迴轉運動。彈簧懸掛裝置分為一次懸吊和二次懸吊兩部分。一次懸吊為軸箱與構架之間的軸箱捲簧和橡膠墊，並在1、3、4、6軸裝有並列的垂向液壓減震器；二次懸吊為轉向架構架與車體之間的旁承橡膠堆，另外還設有抑制機車搖擺的橫向液壓減震器（提速客運型機車並設有抗蛇行液壓減震器），所有液壓減震器均採用荷蘭KONI的產品。提速客運型機車的一次懸吊靜撓度為131毫米[註 6]，二次懸吊靜撓度為15毫米，總靜撓度為146毫米。貨運型機車的一次懸吊靜撓度為123毫米[註 7]，二次懸吊靜撓度為16毫米，總靜撓度為139毫米。牽引力和制軔力通過低位平行四桿牽引杆機構傳遞，牽引點高度距離軌面725毫米。
牽引馬達驅動方式繼承了東風10F型機車的滾動軸承抱軸半懸掛結構，取代了過往東風4系列機車一直使用的滑動軸承抱軸懸掛，解決了滑動軸承抱軸懸掛結構在高速運轉時碾瓦故障和穩定性差的問題。牽引馬達的一側通過滾動軸承剛性地支承在車軸上，另一側通過彈性元件（橡膠墊）和吊杆懸掛在轉向架構架。牽引馬達採用順置方式，即馬達都放在車軸的同一側，有利於減少軸重轉移。提速客運型的齒輪傳動比為2.83（68：24），最高運轉速度為145公里/小時。貨運型的齒輪傳動比為4.5（63：14），最高運轉速度為100公里/小時。基礎制軔方式為帶閘瓦間隙自動調節器的單側單閘瓦踏面制軔，每個車輪各有一套制軔裝置，當機車施行制軔時，軔缸從氣軔機獲得壓縮空氣，並通過槓桿機構使閘瓦抱輪產生制軔作用。停車制軔為手制軔裝置。
准高速客運型機車採用牽引馬達架懸的全懸掛轉向架，軸箱拉杆定位、一系獨立懸掛、低位牽引杆等均沿用了提速客運型機車的結構。與提速客運型機車轉向架相比，准高速客運型機車的軸距加大至2×2,000毫米，以提高轉向架在高速運轉時的穩定性。由於轉向架構架長度延長，燃油箱長度和容量相應減少。有別於提速客運型機車「一系軟、二系硬」的懸掛裝置，准高速客運型機車採用「一系硬、二系軟」的方式。車體與轉向架構架之間的二次懸吊裝置，改為兩組（每側四個一組）高柔度捲簧和橡膠墊，並保留了提速型機車的垂直、橫向、抗蛇行液壓減震器。准高速客運型機車的一次懸吊靜撓度為55毫米，二次懸吊靜撓度為115毫米，總靜撓度為170毫米。牽引力和制軔力仍然通過低位平行四桿牽引杆機構傳遞，牽引點高度降低至距離軌面672毫米。
為了滿足機車高速運轉時動力學性能要求，准高速客運型機車採用了與東風11型機車相同的雙側六連杆萬向節空心軸驅動裝置。牽引馬達剛性地安裝在轉向架構架上，主動齒輪（小齒輪）壓裝在牽引馬達電樞軸端；固定空心軸（外空心軸）用螺栓安裝在牽引馬達機座上，從動齒輪（大齒輪）通過滾動軸承在固定空心軸上轉動，大齒輪心通過六連杆萬向節與轉動空心軸（內空心軸）連接，轉動空心軸的另一端通過六連杆萬向節與車輪相連。牽引馬達電樞軸輸出的扭矩經過小齒輪、大齒輪、六連杆萬向節、轉動空心軸、三爪盤、六連杆萬向節傳遞到其中一個車輪，並通過車軸驅動另一側車輪。全懸掛驅動裝置將牽引馬達全部重量懸掛在轉向架構架上，從而大幅減少了每軸簧下質量和輪軌作用力。准高速客運型的齒輪傳動比為2.62（76：29），最高運轉速度為170公里/小時。
基礎制軔方式為帶閘瓦間隙自動調節器的單元制軔裝置，並採用由鐵道部科學研究院研製的粉末冶金閘瓦。早期生產的准高速客運型機車採用帶輪箍的組合式車輪和單側雙閘瓦踏面制軔，但由於馬鋼集團生產的輪箍存在品質問題，為防止高速行車時施行制軔而引起輪箍弛緩的事故，鐵道部於2000年要求改用從烏克蘭進口的整體輾鋼車輪。然而，東風4D型機車改用整體輾鋼車輪後常常發現踏面剝離現象，原因是制軔時閘瓦與車輪摩擦使踏面局部瞬間加熱到金屬相變點溫度以上，冷卻時產生的馬氏體組織隨輪軌接觸應力作用下剝落。因此，鐵道部要求將東風4D型准高速客運機車的制軔裝置改為雙側雙閘瓦踏面制軔，以降低閘瓦壓力和摩擦發熱量。每台轉向架上的制軔單元數量由6個增加到10個[註 8]，制軔倍率由4.47降低至2.7，第3、4軸外側的制軔單元並設有彈簧停車軔機。2001年12月，採用雙側雙閘瓦的東風4D型3150號機車在北京環形鐵道進行制軔性能試驗。2002年起，新造的東風4D型准高速客運機車全部使用雙側雙閘瓦制軔裝置[45]。
自導式轉向架型機車採用三軸自導向式自導式轉向架，軸距為1,800+2,000毫米，最小通過曲線半徑為120米。轉向架採用鑄焊式結構的「目」字形構架，由兩根側梁、兩根橫梁、前後端梁組焊而成。軸箱定位裝置採用單拉杆式彈性定位結構和單圈軸箱彈簧，使輪對能夠沿曲線半徑方向作徑向轉動，在第1、3、4、6軸的軸箱彈簧中間還增加了橫向定位器。輪對與構架之間設有由軸箱拉杆、前後轉動梁、耦合杆、支座及抗蛇行減振器等組成的轉動機構，以固定於構架橫梁上的立柱作為轉動梁的支點，並通過一根耦合杆使轉向架前後轉動梁同步轉動。轉向架與車體之間的牽引裝置結構亦有所變化，改為使用連接轉向架端梁和連結器緩衝器座的低位牽引杆裝置[46]。
轉向架採用四點支承的旁承裝置，車體全部重量通過八個旁承由兩台轉向架支承。一次懸吊為軸箱與構架之間的軸箱捲簧和橡膠墊，並在1、3、4、6軸裝有並列的垂向液壓減震器；二次懸吊為轉向架構架與車體之間的旁承橡膠堆，另外還設有抑制機車搖擺的橫向液壓減震器，以及提高直線穩定性的抗蛇行液壓減震器。一次懸吊靜撓度為110毫米，二次懸吊靜撓度為15毫米，總靜撓度為125毫米。牽引馬達驅動方式與東風4D型貨運機車相同，採用滾動軸承抱軸半懸掛結構，齒輪傳動比為4.5（63：14），最高運轉速度為100公里/小時。基礎制軔方式為帶閘瓦間隙自動調節器和彈簧停車制軔裝置的單元制軔裝置，採用雙側雙閘瓦制軔和普通鑄鐵閘瓦（中間軸仍採用單側制軔）。
| 提速客運型 | 貨運型 | 准高速客運型 | 自導式轉向架型 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 數量（台）[註 9] | 571 | 403 | 340 | 21 | |
| 機車編號[註 9] | 0001～0240、0243～0347、0353～0529、0532～0580 | 0241、0242、0348、1893、4001～4033、4036～4056、4063～4073、4078～4079、4082～4090、4093～4166、4170~4418 | 3001～3002 | 3003～3340 | 7001～7021 |
| 生產年份 | 1996年—2003年 | 1998年—2023年 | 1999年 | 2000年—2013年 | 2000年—2003年 |
| 軸配置 | Co-Co | ||||
| 柴油機 | 16V240ZJD | 16V240ZJD／16V240ZJF | 16V240ZJE | 16V240ZJD／16V240ZJF | 16V240ZJD |
| UIC標定功率 | 4,400馬力（3,240千瓦） | 5,400馬力（3,680千瓦） | 4,400馬力（3,240千瓦） | ||
| 裝車功率 | 4,000馬力（2,940千瓦） | 4,500馬力（3,310千瓦） | 4,000馬力（2,940千瓦） | ||
| 標稱功率（千瓦） | 3,300馬力（2,425千瓦） | 3,850馬力（2,830千瓦） | 3,300馬力（2,425千瓦） | ||
| 構造速度（公里/小時） | 145 | 100 | 170 | 100 | |
| 持續速度（公里/小時） | 39.8 | 24.5 | 59.6 | 51.8 | 24.5 |
| 起動牽引力（千牛頓） | 302.6 | 480 | 232.6 | 232.6 | 480.48 |
| 持續牽引力（千牛頓） | 214.78 | 341 | 160.8 | 160.9 | 341.15 |
| 牽引齒輪傳動比 | 68：24 | 63：14 | 76：29 | 63：14 | |
| 傳動方式 | 交—直流電傳動 | ||||
| 主發電機 | TQFR-3000E | ||||
| 矽整流櫃 | GTF-5100/1250 | GTF-5100/1250-A | GTF-5070/1250 | GTF-5100/1250-A | GTF-5100/1250-A |
| 牽引馬達 | ZD109B | ZD109B1 | ZD106 | ZD109B1 | |
| 驅動方式 | 滾動軸承抱軸半懸掛 | 雙側六連杆萬向節空心軸全懸掛 | 滾動軸承抱軸半懸掛 | ||
| 整備重量（噸） | 138+3% | 138+3%／150+3% | 138+3% | 138+3% | |
| 軸重（噸） | 23+3% | 23+3%／25+3% | 23+3% | 23+3% | |
| 通過最小曲線半徑（米） | 145 | 120 | |||
| 轉向架軸距（毫米） | 2 × 1,800 | 2 × 2,000 | 1,800 + 2,000 | ||
| 基礎制軔方式 | 單側單閘瓦槓桿制軔 | 單側雙閘瓦單元制軔裝置（早期） 雙側雙閘瓦單元制軔裝置（後期） |
雙側雙閘瓦單元制軔裝置 | ||
| 車體長度（毫米） | 21,100 | ||||
| 車體寬度（毫米） | 3,309 | ||||
| 車體高度（毫米） | 4,755 | ||||
| 新輪輪徑（毫米） | 1,050 | ||||
| 燃油儲備量（升） | 9,000 | 6,500 | 8,000 | ||
| 機油儲備量（公斤） | 1,200 | ||||
| 水裝載量（公斤） | 1,200 | ||||
| 砂裝載量（公斤） | 800 | ||||
| 連結器型式 | 13號下開式（TB1595—85） | ||||
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| 機車編號 | 機車命名 | 所屬鐵路局或運用單位 | 所屬機務段 | 狀態（截至2020年10月） |
|---|---|---|---|---|
| DF4D-0035 | 共青團員號 | 瀋陽鐵路局→瀋陽局集團公司 | 梅河口機務段 | 運用中 |
| DF4D-0046 | 先鋒號 | 瀋陽鐵路局→瀋陽局集團公司 | 瀋陽機務段 | 已摘牌，運用中 |
| DF4D-0066 | 共青團員號 | 北京鐵路局→北京局集團公司 | 石家莊機務段 | 已摘牌並轉配梅河口機務段 |
| DF4D-0094 | 民兵號 | 瀋陽鐵路局→瀋陽局集團公司 | 瀋陽機務段 | 已摘牌並轉配錦州機務段 |
| DF4D-0095 | 共產黨員號 | 瀋陽鐵路局→瀋陽局集團公司 | 梅河口機務段 | 運用中 |
| DF4D-0102 | 青年號 | 瀋陽鐵路局→瀋陽局集團公司 | 瀋陽機務段 | 已摘牌並轉配通遼機務段 |
| DF4D-0122 | 青年文明號 | 上海鐵路局→上海局集團公司 | 徐州機務段 | 已摘牌並轉配庫爾勒機務段 |
| DF4D-0211 | 主人翁號 | 廣州鐵路集團→廣州局集團公司 | 長沙機務段 | 狀況不明 |
| DF4D-0215 | 先鋒號 | 瀋陽鐵路局→瀋陽局集團公司 | 瀋陽機務段 | 已摘牌並轉配錦州機務段 |
| DF4D-0355 | 共青團員號 | 北京鐵路局→北京局集團公司 | 北京機務段 | 已摘牌並轉配牡丹江機務段 |
| DF4D-0348 | 延安號 | 西延鐵路有限責任公司→西安鐵路局→西安局集團公司 | 延安機務段 | 運用中 |
| DF4D-0402 | 黨員先鋒號 | 南寧鐵路局→南寧局集團公司 | 柳州機務段 | 已摘牌，運用中 |
| DF4D-0456 | 青年文明號 | 上海鐵路局→上海局集團公司 | 南京東機務段 | 已摘牌並轉配柳州機務段，運用中 |
| DF4D-0550 | 先鋒號 | 太原鐵路局→太原局集團公司 | 太原機務段 | 已摘牌並轉配集寧機務段，運用中 |
| DF4D-1893 | 毛澤東號（第四代）[註 10]→工人先鋒號[註 11] | 北京鐵路局→北京局集團公司 | 豐臺機務段 | 運用中 |
| DF4D-3094 | 青年文明號 | 哈爾濱鐵路局→哈爾濱局集團公司 | 三棵樹機務段 | 運用中 |
| DF4D-3128 | 共青團員號 | 南昌鐵路局→南昌局集團公司 | 南昌機務段 | 已摘牌並轉配鷹潭機務段，運用中 |
| DF4D-3148 | 青年文明號 | 北京鐵路局→北京局集團公司 | 天津機務段 | 已摘牌，運用中 |
| DF4D-3245 | 民兵號 | 哈爾濱鐵路局→哈爾濱局集團公司 | 三棵樹機務段 | 運用中 |
| DF4D-3262 | 先鋒號 | 南昌鐵路局→南昌局集團公司 | 南昌機務段 | 已摘牌，運用中 |
| DF4D-3305 | 青年文明號 | 哈爾濱鐵路局→哈爾濱局集團公司 | 三棵樹機務段 | 已退役，封存於穆稜 |
| DF4D-3309 | 先鋒號 | 上海鐵路局→上海局集團公司 | 合肥機務段 | 已摘牌，運用中 |
| DF4D-3335 | 初心號 | 內蒙古集通鐵路（集團）有限責任公司 | 大板機務段 | 運用中 |
| DF4D-4157 | 共青團號 | 北京鐵路局→北京局集團公司 | 懷柔北機務段 | 已摘牌，運用中 |
| DF4D-4178 | 青年文明號 | 內蒙古集通鐵路（集團）有限責任公司 | 大板機務段 | 運用中 |
| DF4D-4401 | 青年文明號 | 浙江金溫鐵道開發有限公司 | 溫州西機務段 | 運用中 |
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