1996年12月15日，首台东风4D型客运机车在大连厂落成，并通过出厂验收。为适应铁路干线旅客列车提速的要求，在东风4B和东风4C型机车基础上，东风4D型客运机车主要作了下列改进: (1)大功率机车柴油机
选用了大连厂与英国里卡多公司合作开发的16V240ZJD型柴油机。其标定功率为3240kW(4400马力)，标定转速为l000r/min。装车功率为2940kW(4000马力)。当机车牵引加辆客车(1100t)时，在平直道上平衡速度为132km/h，最高试验速度为157.5km/h
(2)机车走行部
为了适应列车提速要求，在东风4B型客运机车基础上，对走行部进行了重要改进。首先改进了牵引电动机悬挂装置。在牵引电动机的一端，采用了滚动抱轴承替代滑动抱轴承(抱轴瓦)结构，并且选用了进口高档轴承。在牵引电动机的另一端，通过橡胶垫以吊杆悬挂在构架横梁上。这样，既保证了机车运行安全，也使牵引齿轮的齿隙得到保证，能最大限度地吸收来自轮对的振动。
(3)高温冷却系统
采用了经东风6型机车验证的高温冷却系统和密闭压力水箱;采用了新型机油热交换器，将冷却水和机油的最高允许温度提高到98度。
(4)牵引发电机和牵引电动机东风4D型机车采用了由永济厂专门开发的TQFR-3000E型交流同步牵弓1发电机。其额定功率为2911kW，额定电压为425/770V,额定电流为3955/2183A，额定转速lOOOr/min,采用H/H级绝缘。机车采用由永济厂开发的ZD109B型直流牵引电动机。其额定功率530kW，额定电压670V，额定电流845A，额定转速770r/min,最高转速2385r/min，采用H/H级绝缘。 按照铁道部的安排，首台机车出厂后随即赴北京，由铁道部科学研究院、北京铁路局、大连机车车辆厂合作，先后在京承铁路、京秦铁路进行了机车动力学试验，显示东风4D型机车运行平稳性、曲线通过性能、制动性能良好，最高试验速度达到157.7公里/小时。1997年2月，东风4D型机车在铁道部质检中心内燃机车检验站进行了定置牵引试验。同月，为了尽快满足铁路大提速的需要，东风4D型客运机车在未进行运用考核的情况下迅速投入批量生产。
为了验证东风4D型提速客运机车性能与质量，铁道部质检中心对该型机车及主要部件进行了部级鉴定试验。1997年夏季，铁道部对16V240ZJD型柴油机进行了部级鉴定试验，包括UIC100小时性能试验、ORE360小时耐久性试验。此外，铁道部又选定了于1998年12月投入使用、配属济南铁路局济南机务段的0336号机车作为运用考核试验车，至2000年3月完成了30万公里运用考核，期间并没有因机车质量问题造成机破和临修，且燃油经济性优异。但由于柴油机拆解检验后发现其中一个活塞的铝裙出现严重裂纹，因此铁道部决定改用配属哈尔滨铁路局三棵树机务段的0365号机车作为运用考核机车，至2000年8月完成了30万公里运用考核，拆解检验显示机车各主要部件状态良好。 为满足中国铁路对准高速客运柴油机车的需求，大连机车车辆厂于1998年与西南交通大学等单位合作，在东风4D型提速客运机车的半悬挂转向架基础上，研制了准高速全悬挂转向架。1999年初，中国铁道部正式向大连机车车辆厂下达了研制任务，要求开发装用全悬挂转向架的东风4D型准高速客运机车。同年5月，准高速客运型机车设
计方案通过了铁道部的技术设计审查，随即开始施工设计和试制。1999年10月13日，首台东风4D型准高速客运机车（3001）竣工。 2000年5月，东风4D型准高速客运机车开始批量生产，至2007年累计生产了340台，车号为3001～3340，主要配属南昌、上海、哈尔滨、沈阳、北京、呼和浩特、南宁、郑州等铁路局，以及广铁集团、青藏铁路公司、集通铁路公司；其中，从2003年下半年生产的3213号机车开始改为采用标准化司机室，设有标准化操纵台，而外观上较显著的区别包括：标志灯无金属外框、雨刷下置、车门无玻璃窗等；亦有部分编号为31XX以后的机车采用了铸造机体的16V240ZJF型柴油机；此外，集通铁路公司于2007年订购的11台准高速客运机车（3323～3333），改用了最大运用速度为150公里/小时的牵引齿轮传动比，以适应集通铁路部分区段坡度较大的情况，这批机车均配属大板机务段，担当集宁南—大板—通辽之间的客运交路。
一般情况下准高速客运型的车身涂装和提速客运型有着明显差别，准高速型的车身两端有红色和奶**条状相间而提速型没有，但配属青藏铁路公司西宁机务段的东风4D型提速型和准高速型机车均采用相同涂装，所以只能依靠编号分辨。中国铁路爱好者通常对东风4D型准高速客运径向冠以“花老虎”或“DF4DK”的俗称称呼，但“DF4DK”并不是官方正规命名。
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