水冷式高速柴油机，气缸直径为180毫米，活塞行程为200毫米；持续功率为370马力（275千瓦），额定转速为每分钟1300转，最高转速为每分钟1500转。考虑到加装增压装置后柴油机强化程度的提高，DMF31S型柴油机采用了铸铁制造的气缸体和曲轴箱、耐热铝合金铸造的整体结构活塞，以及锻钢制造的连杆和曲轴，另外还采用了散热能力更佳的湿式气缸套，而没有采用DMH17型柴油机上的干式气缸套。从1961年生产的DD13 111号机车开始，改为装用经过强化的DMF31SB型柴油机，持续功率提高至500马力（370千