日本國鐵DD51型柴油機車
DD51型柴油機車（DD51形ディーゼル機関車）是日本國有鐵道的液力傳動柴油機車車型之一，也是日本國鐵史上數量最多和運用最廣泛的柴油機車，生產目的旨在加快淘汰鐵路幹線上的大型蒸汽機車。1962年至1978年間，日立製作所、三菱重工業、川崎重工業共生產了649臺各種番臺的DD51型柴油機車，這種機車的出現極大地促進了日本國鐵牽引動力現代化的程序，並且成爲了日本具有代表性的鐵路機車之一。
開發背景
1950年代初，日本國有鐵道受到美國和聯邦德國（西德）的影響，也開始推動非電氣化幹線的牽引動力內燃化改革。1952年，日本正式結束了石油製品統制制度，日本國鐵隨即恢復新型柴油機車的研製工作。1957年，隨著鐵路運輸量伴隨日本經濟高速增長，日本國鐵宣佈執行第一個五年計劃（1957年—1961年），旨在提高鐵路系統運輸能力和推進牽引動力現代化。同年，日本國鐵在之前試製的DD50型柴電機車的基礎上，成功研製了幹線用的DF50型柴電機車。翌年，又研製了調車用的DD13型柴液機車。
1958年，爲了儘快制定具體的綜合牽引動力現代化計劃，日本國鐵成立了動力現代化調查委員會，目標是探討各種能源資源（電力、石油、煤炭）的供應情況、確定牽引動力電氣化和內燃化的範圍，並進一步制定各類鐵路車輛的技術型譜。1959年6月，委員會正式發表「動力現代化長期計劃」，決定在十五年內實現5000公里主要幹線電氣化和其餘線路內燃化，至1975年底淘汰全部蒸汽機車；內燃化區段的客運任務主要由動力分散式的柴油動車組承擔，柴油機車主要用於牽引內燃化區段的貨物列車、電氣化區段的直通旅客列車、以及調車和小運轉任務。
委員會並根據運用需要制定了國鐵標準型柴油機車的型譜，包括大型（輪周功率1200馬力）、中型（輪周功率800馬力）、小型（輪周功率550馬力）柴油機車。大型柴油機車計劃用來代替以D61型為代表的幹線蒸汽機車，中型及小型柴油機車計劃分別用來代替以9600型、8620型為代表的調車用舊型蒸汽機車。至於柴油機車傳動方式的選擇，日本國鐵根據對DF50、DD13型柴油機車的比較，認為液力傳動機車的單位功率重量較小，因而更適合允許軸重較輕的日本鐵路，因此決定以後研製的柴油機車均採用液力傳動。
1962年至1963年間，爲了填補上述型譜之中的大型和中型柴油機車，日本國鐵先後研製了DD51型幹線柴油機車和DD20型調車柴油機車，而小型柴油機車則由既有的DD13型柴油機車來擔當。DD51型柴油機車是幹線客貨運通用的液力傳動柴油機車，原型車裝有兩臺1000馬力的DML61S型柴油機和兩臺DW2型液力傳動裝置，最大輪周牽引功率達到1400馬力，是當時日本國鐵單節功率最大的柴油機車。與DF50型柴油機車相比，DD51型柴油機車在保持同等重量的條件下，功率增大了近一倍但造價卻與前者相若。DD51型柴油機車還首次採用了獨特的B-2-B軸式配置，使機車可以滿足最大軸重14噸的技術要求，並且搭載了為旅客列車供暖用的蒸汽鍋爐。
形式區分
基本番臺
第一次原型車（1）
* 1962年3月，DD51型柴油機車的首臺原型車在日立製作所水戶工廠落成，機車裝有兩臺1000馬力的DML61S型柴油機和兩臺DW2型液力傳動裝置，機車走行部採用DT113B型兩端轉向架和TR101型中間轉向架，中間轉向架的旁承裝置採用螺旋彈簧且沒有軸重調節功能。車體外觀細節方面類似於DD13型柴油機車的後期型車輛，車體正面裝有兩盞圓形外形和突出于車體的密封光束燈式前照燈，司機室前後的端窗上方沒有窗檐，出廠時採用葡萄色配白色帶的國鐵舊標準色涂裝。
* DD51 1號機車出廠后配屬到秋田機關區進行牽引試驗，但發現由於兩端的柴油機及液力傳動裝置的製造廠不同，因而出現兩套動力傳動系統功率不平衡的問題，對機車牽引效能和粘著效能的發揮造成很大影響，尤其在坡道上的牽引試驗結果遠低於設計效能指標，使其不得不返回工廠並作進一步改進。同時，DD51型柴油機車在1963年投入批量生產的計劃也被迫延遲，改為在1963年再增加試製三臺原型車作試驗。
* 第二次原型車出廠后，DD51 1號機車亦同樣轉配屬盛岡機關區，後來還對柴油機及液力傳動裝置進行了改造。這臺機車一直主要在東北地方運用，直到後期再轉配屬秋田機關區，至1980年以後被封存在秋田機關區內，並於1986年正式除籍報廢。
第二次原型車（2～4）
* 根據DD51 1號原型車的試驗結果和運轉經驗，于1963年完成試製經過改良的第二次原型車，其中DD51 2號機車由日立製作所製造，DD51 3號機車由川崎車輛製造，DD51 4號機車由新三菱重工業製造。從這批機車開始採用全新的國鐵柴油機車標準色涂裝，車身上半和下半部分別為灰色（鼠色1號）和金紅色（硃紅色4號），兩種顏色之間配有一道圍繞車身的白色帶。
* 爲了改善機車在坡道上的牽引效能和粘著效能，對柴油機及液力傳動裝置的工作特性進行了調整，使前後轉向架都能同步發揮相等的牽引力；另外還將柴油機調速器的擋位數量從7個增加到14個，從而減少調速過程中的牽引力衝擊。當時還曾經一度考慮將B-2-B軸式改成全動軸的B-B-B軸式，但這樣一來造價必然提高而且傳動系統十分複雜，因此最終決定採用可變軸重的中間轉向架，通過在中間轉向架的旁承彈簧加裝墊片，使動輪軸重可以根據需要而設定為14噸或15噸。此外，將兩端轉向架的砂箱及撒砂裝置數量增加一倍，以提高機車爬坡時抑制動輪空轉的能力。
* 這批機車改為裝用DW2A型液力傳動裝置，改良了其齒輪配置和高速運轉效率，並改用鑄鐵箱體以減輕傳動裝置的重量。除了吊掛于車體底架下的四個750升燃油箱外，另外在車體兩側走廊踏板上加裝兩個700升燃油箱，使燃油儲備量從3000升增加到4400升。車體外觀方面，前照燈改為安裝在凹進車體正面的方形外框內，司機室頂蓋的前後兩端往水平方向上延伸而形成窗檐。除此之外，冷卻系統、控制電路、裝置佈置等方面亦有所變更。
* DD51 2～4號機車出廠后配屬盛岡機關區。事實證明對第二次原型車的改進是相當成功的，于1963年4月在東北本線盛岡附近進行的牽引試驗中，DD51型柴油機車成功在10‰坡道上牽引1260噸列車起動，甚至在濕滑軌道上撤沙時仍然能保持超過35%的粘著係數，其粘著效能可與同時期的交流電力機車匹敵。運用末期，DD51 4號機車轉配屬岡山機關區，並於1984年除籍報廢；而DD51 2、3號機車轉配屬秋田機關區，並於1985年除籍報廢。
先行量產車（5～19）
* 1964年，日立製作所、川崎車輛、新三菱重工業開始批量生產DD51型柴油機車，並於同年完成了首批15臺先行量產車的生產任務。這批機車基本上與第二次原型車相同，主要差異在於改用TR101A型中間轉向架，其旁承裝置以空氣彈簧代替了螺旋彈簧組，利用改變空氣彈簧的氣壓而使軸重變化。此外，燃油儲備量進一步增加至4500升，以適應長距離運轉的使用需要。
* 這批機車出廠後首先配屬到盛岡機關區和鳥棲機關區，擔當東北本線、鹿兒島本線、長崎本線的旅客列車牽引任務。到了運用末期，這批機車集中配屬於吹田第一機關區和東新潟機關區。東新潟機關區的所屬車輛主要運用於磐越西線，隨著其他地區更多剩餘的DD51型柴油機車轉入，這些老舊的早期量產車于1984年停運、1986年報廢。吹田第一機關區的所屬車輛主要擔當大阪近郊貨物列車、福知山線普通旅客列車的牽引任務，至1984年2月停運、1985年報廢。
初期量產車（20～53）
* 1965年至1966年間，日立製作所、川崎車輛、新三菱重工業又生產了34臺DD51型柴油機車，從這批初期量產車開始改為裝用1100馬力的DML61Z型柴油機，部分用來牽引臥鋪特急列車的機車還進行了雙管供風的改造，加裝了總風管以滿足20系客車的空氣彈簧用風需要。
* 這批初期量產車落成后被配屬到盛岡機關區、長野機關區、門司機關區、鳥棲機關區，其中盛岡機關區和長野機關區的所屬車輛，隨著東北本線和信越本線的電氣化而逐步轉往其他地區。到了運用末期，這些初期量產車主要配屬於旭川機關區、東新潟機關區、吹田第一機關區、米子機關區、門司機關區，並於1985年至1987年間陸續停運報廢。
500番臺
1966年起，爲了滿足國鐵的過載貨物列車牽引需要，新造的DD51型柴油機車均裝有重聯控制裝置，稱為DD51型500番臺機車（即所謂的重聯型車輛），以便與無重聯功能的基本番臺區別。在重聯型機車當中又可以根據重聯控制裝置的差異，分為半重聯型和全重聯型。
半重聯型（501～592）
* 半重聯型機車沒有用來均衡本務和補機總風缸壓力的平均管，因此並非真正意義上的制動系統重聯控制。當重聯運轉時兩臺機車只連線列車管，兩臺機車只是自動制動閥（大閘）重聯，並不是單獨制動閥（小閘）重聯。本務機車上的單獨制動閥只能控制自己的制動和緩解，而無法同時對補機產生制動和緩解作用，此時補機實際上相當於車輛，列車管的充風或減壓均會使補機進行緩解或制動。
* 從1967年生產的DD51 548號機車開始改為採用TR106型中間轉向架，增加了基礎制動裝置以提高制動效能。由於額外製動系統佔據了部分空間，燃油儲備量從4500升減少至4000升。
* 後期生產的DD51 587～592號機車取消了蒸汽鍋爐。與後來製造的800番臺機車相比，這批機車只是沒有搭載鍋爐，但蒸汽供暖的其他配套裝置仍然被保留。
* 1966年至1967年間，日立製作所、川崎車輛、三菱重工業共生產了92臺半重聯型機車。這批機車落成后被配屬到盛岡機關區、旭川機關區、釧路機關區、美濃大田機關區、鳥棲機關區、長野機關區。配屬美濃大田機關區的DD51 592號機車較為特別，它是名古屋鐵道管理局「Euroliner」12系的配套機車，並於1985年披上「Euroliner」特別涂裝，這臺機車除了牽引高山本線、紀勢本線、參宮線的旅客列車外，也會牽引岡山鐵道管理局的「YOUYOU沙龍岡山」歐風歡樂列車。
* 全數92臺半重聯型機車于1980年代初逐步報廢，釧路機關區的部分所屬車輛于1981年停運報廢，其餘機關區的所屬車輛則于1986年11月停運，並在1987年4月國鐵分割民營化前除籍報廢。
全重聯型（593～799、1001～1193）
* 全重聯型機車的特點是在車端裝有平均管，當重聯運轉時兩臺機車需要連線列車管和平均管，實現自動制動閥（大閘）、單獨制動閥（小閘）同時重聯，此時重聯補機的制動系統接受本務機車的單獨制動閥的控制，使重聯補機的制動和緩解作用與本務機車完全協調一致。部分半重聯型機車在後來也加裝了平均管，實際上已經與全重聯型機車完全相同。
* 1968年至1977年間，日立製作所、川崎車輛、三菱重工業共生產了400臺全重聯型機車；爲了避免500番臺機車與800番臺機車重複編號，當500番臺機車生產到799號之後直接跳到1001號開始繼續順序編號。車體外觀方面，機車編號牌由以往的不鏽鋼字型金屬件改為採用整塊金屬板樣式；從1010號機車開始在司機室頂蓋加裝兩臺通風機；從1052號機車開始採用垂直二分樣式的冷卻室通風百葉窗。
* 全重聯型機車被廣泛配屬到日本全國各地。爲了便於區分全重聯型和半重聯型機車，北海道地區的DD51型500番臺機車除了在車身上的配屬標識外，還在配屬標識旁邊增加以「重」或「半」字樣表示的識別標記，比如國鐵時代的「筑·重」（小樽筑港機關區）、「五·重」（五棱郭機關區）、「釧·半」（釧路機關區）等獨特標識。
* 配屬美濃大田機關區的DD51 791、1037號機車，于1987年接替被報廢的DD51 592號機車，披上特別涂裝后成為「Euroliner」歡樂列車的專屬牽引機車，至2007年5月隨著「Euroliner」列車的引退而報廢。
800番臺
從1968年起爲了滿足貨物列車的牽引需要，開始製造不搭載蒸汽鍋爐的DD51型800番臺柴油機車。這批機車徹底取消了旅客列車供暖用蒸汽鍋爐以及水箱等配套裝置，因此司機室內空間亦變得更加寬敞。由於運轉整備重量比一般DD51型柴油機車輕了6噸，800番臺機車改為採用TR106A型中間轉向架，對其旁承彈簧進行了調整以改變各軸的承載比率，並降低了制動倍率以防止因制動力過大而導致輪對滑行。除此之外基本上與同時期製造的500番臺全重聯型機車完全相同，機車編號牌和通風百葉窗等特徵也可以在800番臺機車上找到，唯一不同的是司機室通風機設計，從855號機車開始在司機室頂蓋加裝一臺通風機。
1968年至1978年間，日立製作所、川崎車輛、三菱重工業共生產了104臺DD51型800番臺機車（801～899、1801～1805）。當800番臺機車生產到899號之後直接跳到1801號開始繼續順序編號。最後生產的DD51 1801～1805號機車原本使用於成田線和總武本線，主要牽引為成田國際機場輸送航空燃油的專用列車，因考慮到日後或有可能轉為牽引旅客列車，因此亦預留了安裝蒸汽鍋爐的管線位置。
此外，配屬JR東日本高崎車輛中心的DD51 842號機車，是日本皇室御召列車在非電氣化區段的指定牽引機車，其底架兩側、排氣筒、扶手等細節部分均有不鏽鋼裝飾；而同樣配屬高崎的DD51 888、895號機車則是御召列車的後備牽引機車，但主要使用銀色油漆來處理上述這些細節。
防寒規格
由於DD51型柴油機車投入日本全國各地使用，因此不同地區的機車也有對應各種氣候條件的防寒規格，可分為一般型、A寒地規格、B寒地規格。
* 一般型是對應氣候溫暖地區的標準規格，這些地區的線路通常不會配備除雪車輛，大多數一般型防寒規格的DD51型柴油機車均配置在關東以西的地區。
* A寒地規格對應冬季氣候極為寒冷的地區，追加的主要防寒裝置包括除雪型排障器、除雪旋轉窗、耐雪制動裝置、前窗上方的冰柱切割板、空氣管路防凍加熱裝置等，A寒地規格的DD51型柴油機車主要配置在北海道和東北地方，亦有少部分配置在中部地方。
* B寒地規格對應冬季氣候一般寒冷的地區，追加的主要防寒裝置包括除雪型排障器、空氣管路加熱裝置等，但沒有配備A寒地規格的除雪旋轉窗、耐雪制動裝置和冰柱切割板。B寒地規格的DD51型柴油機車主要配置在以山陰地方為中心的中國地方。
運用歷史
國鐵時代
1960年代中期，DD51型柴油機車開始投入東北地區和九州地區的非電氣化幹線運用，擔當東北本線、鹿兒島本線、長崎本線的優等旅客列車牽引任務，以加快淘汰這些地區的C60型和C61型客運蒸汽機車。DD51型柴油機投入運用初期曾經頻繁發生各種故障，僅于1964年度的故障率就達到了每百萬公里50件，其中發生最多的故障是柴油機軸瓦燒損，以及液力傳動裝置控制閥及排油閥故障，迫使日本國鐵放緩DD51型柴油機投入運用的進度。後來經過車輛技術部門對各種問題的改進，比如加寬曲軸軸瓦並把主軸承改成滾動軸承，及改良液力傳動裝置控制閥的製造工藝，使機車故障率得以大幅下降。從1966年起，DD51型柴油機車的運用範圍進一步擴大到北海道、信越本線、中央本線等地區。在DD51型柴油機車的全盛時期，其蹤影遍及除四國地方以外的日本全國各地，是推進日本國鐵非電氣化幹線無煙化的主要動力。此後，隨著主要幹線的電氣化改造逐漸完成，加上客車列車和貨物列車的開行數量減少，許多DD51型柴油機車已經在國鐵末期除籍報廢。截至1987年4月1日國鐵分割民營化之前，全數649臺DD51型柴油機車當中已有超過五分之三被報廢。
民營化后
1987年4月1日國鐵分割民營化后，尚存的259臺DD51型柴油機車被新成立的JR公司繼承，其中北海道旅客鐵道（JR北海道）25臺、東日本旅客鐵道（JR東日本）29臺、東海旅客鐵道（JR東海）4臺、西日本旅客鐵道（JR西日本）63臺、九州旅客鐵道（JR九州）1臺、日本貨物鐵道（JR貨物）137臺。
1990年代起，隨著各旅客鐵道公司的客車列車被逐年削減，加上這些機車的使用壽命已經超過或將屆30年，DD51型柴油機車亦難逃被逐步淘汰的命運。1999年，JR九州的唯一一臺DD51型柴油機車（1071）報廢。2005年1月，JR貨物停止在九州地區使用DD51型柴油機車。2008年，JR東海的最後兩臺DD51型柴油機車（791、1037），亦隨著「Euroliner」歡樂列車的引退而報廢。截至2014年4月，仍然有60臺在籍的DD51型柴油機車，分別配屬JR北海道（13臺）、JR東日本（4臺）、JR西日本（5臺）、JR貨物（38臺）。
JR北海道的DD51型柴油機車全部配屬函館運輸所，主要擔當「濱梨號」急行列車、「北斗星號」特急列車（重聯牽引）、「仙后座號」臨時特急列車（重聯牽引）、「黃昏特快號」臨時特急列車（重聯牽引）的定期牽引任務，其擔當的執行區間除了「黃昏特快號」列車為札幌至五棱郭間之外，其他列車均為札幌至函館間（經由室蘭本線）。此外，DD51型機車也會擔當札幌運轉所、函館運輸所至苗穗工廠的電力動車組或柴油動車組列車的回送和調車任務。JR北海道的所有DD51型柴油機車都採用藍色車身配黃色帶的「北斗星色」涂裝。
JR東日本的DD51型柴油機車全部配屬高崎車輛中心，主要擔當JR東日本管內的臨時列車和工務列車的牽引任務，其中DD51 842、888、895號機車可作為御召列車的牽引機車。
JR西日本的DD51型柴油機車分別配屬網干綜合車輛所、後藤綜合車輛所、下關綜合車輛所。網干綜合車輛所的DD51型機車已經脫離定期運用，主要擔當JR西日本管內的臨時列車和工務列車的牽引任務。後藤綜合車輛所的DD51型機車自從「出雲號」特急列車在2006年3月停運后亦脫離定期運用，後來主要用於牽引臨時列車、御召列車和工務列車，或執行車站的調車作業。下關綜合車輛所的DD51 1043號機車之前配屬宮原綜合車輛所，于2011年9月開始接替已被報廢的DD51 844號機車，擔當臨時列車的牽引任務或「SL山口號」列車的補機任務。
JR貨物的DD51型柴油機車分別配屬鷲別機關區、愛知機關區、門司機關區。鷲別機關區主要擔當北海道地區的貨物列車牽引任務，包括函館本線、室蘭本線、千歳線、石勝線、根室本線、宗谷本線（旭川至北旭川間），每年8月至翌年4月期間亦會投入石北本線使用。愛知機關區的DD51型機車主要用於牽引東海道本線、關西本線的貨物列車。門司機關區則主要擔當山陽本線、美禰線、山口線、山陰本線的貨運牽引任務。
更新改造
由於DD51型柴油機車因長期使用而逐漸老化，尤其北海道地區的車輛在惡劣的氣候條件下長距離運用，導致柴油機等部件經常發生故障。從1990年代中期開始，雖然JR貨物引入了DF200型柴油機車，並逐步淘汰老舊的DD51型柴油機車，但因為全面淘汰DD51型柴油機車尚需要一段時間，而且DF200型柴油機車因受到其較大軸重的限制，無法投入石北本線和根室本線（釧路貨物站以東）使用。此外，JR貨物尚沒有合適的柴油機車來替代北海道地區以外的DD51型柴油機車。
因此，JR貨物于1994年開始首先對北海道地區的部分DD51型機車進行了更新改造，以提高機車的運用可靠性及延長機車的使用壽命。主要改造內容是換裝新型柴油機，來取代原來裝用的DML61Z型柴油機。早於1990年，小松製作所和新潟鐵工所分別開發了SA12V170-1、12V16CSX型柴油機，並於同年開始在JR貨物的DD51 1087號機車上先後裝車試驗，最終JR貨物于1993年決定採用小松製作所的SA12V170-1型柴油機。1994年，JR貨物開始對北海道支社配屬的DD51型柴油機車實施「B更新工程」，除了換裝全新的柴油機外，還改變了冷卻水管路、燃油管路及靜液壓管路等的設計，並對其它許多零部件進行了更新。完成改造后的機車採用了與DF200型柴油機車相同的新涂裝，以紅色作為車身主色並配以灰色帶。在DD51型柴油機車上使用的SA12V170-1型柴油機，當轉速為每分鐘2000轉時的最大功率為1500馬力，由於其功率比原裝的DML61Z型柴油機大，因此在運用中只使用約80%的功率；柴油機的調速控制採用了燃油電子調速器系統，有效改善了響應性和可靠性。 這款柴油機後來亦被應用於DF200型50番臺柴油機車。
2002年起，JR貨物又開始對本州和北海道地區的DD51型柴油機車實施「A更新工程」，主要改造內容是對各類管線進行翻新改造，而沒有更換柴油機以節省成本。完成「A更新工程」的機車改用新涂裝以便區分，車身涂裝以深藍色（藍1號）為主色配以白色帶，車體兩端的裝置檢查門採用奶黃色（奶油1號），車體頂蓋採用灰色（N4號）。從2004年在廣島車輛廠為愛知機關區改造的DD51 892號機車開始，又改為採用以紅色為基調的新涂裝，車體上半和下半部分別採用紅色和灰色，司機室上半部採用黑色。
技術特點
車體結構
DD51型柴油機車是客貨運通用的液力傳動柴油機車。它的司機室被設定在車體中央位置，司機室前後兩端分別為兩個機械室，各種裝置以司機室為中心對稱順序佈置，第一端和第二端都具有相同的裝置。以往日本國鐵的幹線柴油機車都是採用雙端司機室的箱型車體，但DD51型柴油機車則是首次應用類似DD13型調車柴油機車的中央司機室和罩式車體結構，最主要的原因是這種車體的製造成本比箱型車體低得多，將司機室設在車體中間亦可縮短各種空氣管路和電氣線路長度；另一個原因是許多車體零部件可以與DD20型調車柴油機車通用，從而節省設計時間和日後維護成本。除此之外，罩式車體還有結構重量輕和抗扭剛度大的優點，對柴油機和傳動裝置的安裝和檢修也比較方便。
機車車體採用外走廊式底架承載結構，由上部的罩式車體和下部的車體底架組成。DD51 1號原型車的採用鋼板焊接成箱型結構的車體底架，從DD51 2號機車起開始使用工字形鋼樑、型鋼和鋼板焊接成箱型結構的車體底架。爲了改善中央司機室瞭望視野不夠廣闊的缺點，因此在設計上將增壓器佈置在柴油機後面，並減少液力傳動裝置的高度，以儘可能降低機械室部分的車體高度。司機室部分直接焊接在車體底架上，而機械室部分的車體則用螺栓固定在底架上，之間使用橡膠緩衝接頭連線。車體底架的四個角上設有登車腳踏板，並且在機車前後兩端都設有過道及扶手。
總體佈置
司機室內機車執行方向的左側設有司機座席和司機操縱檯，右側設有副司機座席及手制動手柄，司機和副司機座席之間設有控制電器柜。司機室兩側設有供乘務員乘降的側門。由於DD51型柴油機車以長距離幹線運轉為主，因此沒有采用像DD13、DE10、DD16型調車機車那樣的單一縱向司機操縱檯，而是在司機室內兩個對角分別佈置兩組橫向司機操縱檯。此外，司機室中央設有一臺SG4型自動蒸汽鍋爐，司機室地板下還有一個4000升的鍋爐水箱。
機械室內由各車端順序可分為冷卻室和動力室兩個部分。冷卻室內設有冷卻水散熱器、空氣壓縮機、油泵和水泵等裝置，頂部裝有一個靜液壓驅動的軸流式冷卻風扇。動力室內安裝了一套柴油機和液力傳動裝置，以及燃油泵、起動電動機、機油熱交換器、濾紙式空氣過濾器、排氣消音器等配套裝置。動力室外部的左側設有蓄電池柜。車體下方三臺轉向架之間吊掛著燃油箱、總風缸、輔助硅整流器。
柴油機
早期生產的19臺DD51型柴油機車裝載兩臺DML61S型柴油機，這是一種四衝程、12氣缸、廢氣渦輪增壓、無中間冷卻的水冷式V型高速柴油機，平均有效壓力為每平方釐米9.83公斤，持續功率為2×1000馬力。從1965年開始投入生產的量產車改為裝載兩臺DML61Z型柴油機，與前者的主要差異是增加了增壓空氣中間冷卻器（中冷器），使平均有效壓力提升至每平方釐米10.80公斤，持續功率亦相應提高至2×1100馬力；而在此之前生產的19臺機車後來亦陸續改裝DML61Z型柴油機，替換下來的DML61S型柴油機被轉移至DD16型柴油機車使用。
這款柴油機是DMF31系列柴油機的家族產品之一，實質上相當於一對直列式、六氣缸的DMF31S型柴油機，因此DML61S（Z）、DMF31S型柴油機有很多共通的零部件，而且DMF31S型柴油機已經廣泛裝用於日本國鐵的DD13型柴油機車，這對於柴油機的檢修維護十分方便。DML61Z型柴油機的氣缸直徑為180毫米，活塞行程為200毫米，氣缸夾角為60°；持續功率為1100馬力（820千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉，最高轉速為每分鐘1650轉，單位燃料消耗量為175（+10%）克/有效馬力·小時，柴油機凈重量為5500公斤。兩個同樣被使用於DMF31S型柴油機的TB22B型軸流式渦輪增壓器安裝在柴油機後端。柴油機採用電空式全速調速器來控制轉速，通過4個電感線圈構成14個調速擋位（DD51 1號原型車為3個電感線圈和7個調速檔位）。
傳動系統
主傳動路線
DD51型柴油機車是採用雙機組的液力傳動柴油機車，兩套相同的動力傳動機組對稱佈置，分別驅動前後兩臺動力轉向架。液力傳動系統主要包括液力傳動箱、車軸齒輪箱、萬向軸及彈性聯軸節等部件。液力傳動箱靠近車體中部的司機室，通過橡膠閥座和球面軸承支撐在車體底架上。柴油機通過彈性聯軸節及第一萬向軸將功率傳遞到液力傳動箱，再從液力傳動箱下部的輸出法蘭，以第二萬向軸傳給內側輪對的第一車軸齒輪箱，最後再經過第三萬向軸將動力傳到外側輪對的第二車軸齒輪箱。這種主傳動路線的優點是結構簡單緊湊，每套傳動系統只有三根萬向軸和兩個車軸齒輪箱，而且液力傳動箱和車軸齒輪箱之間的距離也比較短。
液力傳動箱
DD51型柴油機車採用全新的DW2A型液力傳動裝置（DD51 1號原型車採用DW2型），它是由日本國鐵與日立製作所、川崎重工業合作開發的國鐵標準型傳動裝置。液力傳動裝置由一對增速齒輪、三個充排油式變扭器、減速齒輪、回動齒輪、控制機構等部分組成。變扭器為三個單級三輪或四輪離心渦輪式液力變扭器，其中起動變扭器（第一變扭器）適用於機車起動和低速工況，而運轉變扭器（第二、三變扭器）適用於機車中高速運轉工況，使變扭器總是在高效率狀態下運轉。變扭器的運轉狀態是根據執行速度和柴油機輸出功率決定，並依靠變扭器的充排油過程來自動完成換檔。爲了儘可能降低傳動裝置的高度，三個變扭器分別佈置在兩根主動軸上，第一主動軸裝有第一、二變扭器，第二主動軸裝有第三變扭器，使輸入軸與輸出軸的垂直距離只有821毫米。
由上述可見，DW2A型液力傳動裝置的工作原理實際上與西德福伊特的多循環圓液力傳動裝置是一樣的，但變扭器和齒輪的排列方式則有所不同。當司機控制器選擇了某一檔位，就自動確定了柴油機轉速和輸出功率，輪周牽引力隨速度增加而呈雙曲線關係下降。由於液力變扭器的充排油是重疊進行的，所以換檔時牽引力並不會中斷。起動變扭器還具有快速充油功能，使其起動加速效能優於電力傳動柴油機車。傳動裝置內裝有齧合輔助裝置的風動換向齒輪機構，以改變輸出軸旋轉方向和機車行駛方向。
冷卻系統
DD51型柴油機車在冷卻水循環系統中採用乾式冷卻。冷卻水系統由柴油機帶動的水泵驅動，冷卻水並首先分別進入柴油機機油和液力傳動油的油—水熱交換器，然後兩個迴路的冷卻水會合並進入柴油機，冷卻水最後進入乾式散熱器進行冷卻。當柴油機運轉時冷卻水才進入散熱器，當柴油機停機時散熱器中不再存水，冷卻水全部迴流到水箱，這種乾式冷卻系統可以在嚴寒天氣下有效保護散熱器。此外，當機車在夏季炎熱天氣下行駛時，可以將蒸汽鍋爐水箱內的冷水混合到冷卻水系統中，利用這部分水的熱容量來提升冷卻效果。DD51型柴油機車採用小型化鋁製散熱器，佈置在車體兩端冷卻室的兩側。冷卻風扇由靜液壓驅動系統帶動，其轉速根據柴油機冷卻水的溫度作自動控制，這種冷卻風扇實際上是DD14型柴油機車上的加強型。
轉向架
DD51型柴油機車是日本首次採用B-2-B軸式配置的柴油機車，機車走行部為三臺二軸轉向架，包括兩臺裝有車軸齒輪箱的兩端轉向架、一臺只承受車體重量的中間轉向架。由於DD51型柴油機車的整備重量達到84噸，因此必須採用六根車軸來分擔車體重量，才能用於軸重限制為14噸的乙級線路。因考慮到二軸轉向架通過曲線時的橫向側壓力比三軸轉向架小，亦有利於簡化主傳動路線和轉向架承載結構，而且零部件也能與DD13、DD20型柴油機車通用，因而令日本國鐵作出採用B-2-B軸式的決定。
兩端轉向架
兩端轉向架採用DT113B型無均衡梁式轉向架，其結構基本上與DD13型柴油機車的DT113型轉向架相同。兩端轉向架的固定軸距為2200毫米，採用鋼板焊接成箱型結構的「H」字形構架和導框式軸箱定位裝置，軸箱彈簧裝置為軸箱兩側的螺旋彈簧。兩端轉向架採用心盤承載方式支承車體重量，車體重量通過下心盤坐落在轉向架構架上，在車體與構架之間還設有滑動摩擦式旁承作為輔助承載裝置。基礎制動裝置為雙側閘瓦制動，每個輪對左右兩側各設有一個制動缸，並設有制動橫樑以保證兩側閘瓦同步作用，另外還設有閘瓦間隙調整器。
中間轉向架
中間轉向架是一種旁承承載的無動力轉向架，固定軸距為1700毫米，其結構形式經過了多次改良。最初試製的DD51 1號機車採用TR101型中間轉向架，構架採用「U」形側梁的鋼板焊接結構，軸箱通過橡膠環安裝在構架上，旁承彈簧為每側兩個並列的螺旋彈簧組。中間轉向架按允許最大橫移量190毫米和旋轉角3°的條件設計以便通過曲線，並且採用了特殊的旁承彈簧機構來消除復原力矩，以儘可能減少所產生的橫向側壓力。爲了在中間轉向架實現兩級可變軸重功能，DD51 2～4號機車在旁承彈簧部分加裝墊片，使平均軸重可以根據需要而設定為14噸或15噸。從DD51 5號機車開始的量產車改為採用TR101A型中間轉向架，唯一區別是以空氣彈簧取代了螺旋彈簧組，利用改變空氣彈簧的氣壓而使軸重變化。
從1967年生產的DD51 548號機車開始，改為採用TR106型中間轉向架，特點是增加了單側閘瓦制動作為基礎制動裝置。從1968年開始生產的DD51型800番臺機車改為採用TR106A型中間轉向架，降低了制動倍率以防止因制動力過大而導致輪對滑行。從1970年生產的DD51 808號機車開始，改為採用TR106B型（無蒸汽鍋爐車輛用）或TR106C型（有蒸汽鍋爐車輛用）中間轉向架，該型轉向架改良了軸箱橡膠定位裝置，以抑制因增加基礎制動裝置而帶來的震動。
衍生車型
 DD20型柴油機車
 1963年，汽車製造在DD51型柴油機車的基礎上，開發研製了調車專用的DD20型柴油機車，但因粘著效能的原因而沒有投入批量生產；其動力傳動系統相當於半臺DD51型柴油機車，機車裝用一臺DML61S型柴油機和一臺DW2A型液力傳動裝置。
 DD21型柴油機車
 1963年，日本車輛製造試製了一臺裝備犁式除雪裝置的DD21型除雪柴油機車，其動力傳動系統與DD20型柴油機車完全相同。
 DD53型柴油機車
 1965年，汽車製造開發研製了裝備旋轉式除雪裝置的DD53型除雪柴油機車，其動力傳動系統與DD51型柴油機車基本相同，機車裝用兩臺DML61Z-R型柴油機和兩臺DW2A-R型液力傳動裝置。
 911型柴油機車
 1964年，因應東海道新幹線建成通車，為方便對因故障停運的高速列車進行應急救援，以及滿足平時牽引高速軌道檢查車的需要，日本車輛製造在DD51型柴油機車的基礎上，研製了可使用於標準軌距鐵路的911型柴油機車，其動力傳動系統與DD51型柴油機車十分相似，機車裝用兩臺DML61S型柴油機和兩臺DW2B型液力傳動裝置，最高運轉速度可達160公里/小時。
車輛儲存
* DD51 1號機車：靜態儲存于群馬縣安中市的碓冰嶺鐵道文化村。
* DD51 548號機車：靜態儲存于北海道三笠市的三笠鐵道紀念館。
* DD51 610號機車：靜態儲存于北海道三笠市的三笠鐵道紀念館。
* DD51 615號機車：靜態儲存于北海道小樽市的小樽市綜合博物館。
* DD51 756號機車：靜態儲存于京都鐵道博物館內
* DD51 1040號機車：靜態儲存于京都府龜岡市的並河車站鐵道歷史公園。
* DD51 1187號機車：靜態儲存于岡山縣津山市的津山扇形機車庫。
海外讓渡
1998年，JR西日本原本計劃將十臺報廢的DD51型柴油機車讓渡予越南鐵路，並對輪對進行改造以適應東南亞國家的米軌軌距（1000毫米），但該讓渡計劃最終沒有實現。後來，其中四臺機車（DD51 1106、1118、1110）被讓渡予澳洲鐵路工程承包商百利茂林營造股份有限公司（Barclay Mowlem），用於泰國國家鐵路南線的修繕工程。此外，另外一臺機車（DD51 1032）被讓渡予馬來西亞的「Emrail」鐵路工程公司，用於馬來亞鐵路西海岸線（萬撓至巴東勿剎段）的提速改造工程。
2004年，JR貨物將兩臺報廢的DD51型柴油機車（DD51 797、DD51 823）讓渡予緬甸鐵路，這兩臺機車在緬甸被定型為D2D.2200型柴油機車（D2D.2201、D2D.2202）。由於其功率對於緬甸鐵路的運輸水平而言顯然過剩，因此D2D.2202號機車于2008年被分解成兩臺DD.1100型柴油機車（DD.1101、DD.1102），不久之後D2D.2201號機車亦進行了相同改造（DD.1103、DD.1104）。