东风4B型内燃机车

东风4B型内燃机车（DF4B）是中国铁路使用的一种干线客、货运用内燃机车，也是中国铁路第二代电传动内燃机车的代表车型。东风4B型内燃机车的发展历程始于1965年开始设计、1974年投入批量生产的东风4型内燃机车和16V240ZJ型柴油机，但由于柴油机本身设计和制造工艺存在许多问题，导致早期出厂的东风4型内燃机车投入运用后故障频生，在历经大量设计改进和试验研究之后发展出16V240ZJB型柴油机，使其可靠性和耐久性得到大幅提高。1982年，作为东风4型内燃机车升级产品的首台东风4B型内燃机车问世，经过全面的性能试验和运用考核后，证明其可靠性和经济性比东风4型内燃机车有明显提升。1984年，大连机车车辆厂开始批量生产东风4B型内燃机车，资阳内燃机车厂和大同机车厂也于1986年加入生产行列，至今已生产了超过4500台东风4B型内燃机车，成为中国铁路史上生产数量最多、运用最广泛的内燃机车车型。 
东风4B型内燃机车可根据齿轮传动比的不同而作为货运机车（构造速度为100公里/小时）或客运机车（构造速度为120公里/小时）使用，动力来源为一台装车功率3,300马力的16V240ZJB型四冲程柴油机，传动系统采用由TQFR-3000型牵引发电机、ZQDR-410型牵引电动机、GTF-4800/770型硅整流装置组成的交—直流电传动装置，走行部采用具有拉杆式轴箱定位装置和二系弹簧悬挂的转向架。
发展历史.
开发背景.
东风4B型内燃机车的历史可追溯至1960年代开始研发的东风4型内燃机车。1962年，中华人民共和国铁道部确定了动力改革“内燃、电力机车并重，以内燃为主”的方针，在发展内燃机车方面确定了“高速柴油机和中速柴油机并举，电力传动和液力传动并举”的方针。正当中国第一代干线柴油机车——东风型柴油机车刚刚投入批量生产的同时，鉴于当时世界上的大功率柴油机车已经出现了采用中速柴油机和交—直流电传动的发展趋势，中国马上开始组织自主开发第二代大功率柴油机车的试验研究。1965年初，大连机车车辆厂、大连热力机车研究所、大同机车厂、铁道科学研究院、北京铁道学院等机构联合组成新中速柴油机设计组。1965年7月，铁道部内燃机车、电力机车会战指挥小组在青岛召开会议，批准向大连机车车辆厂下达新中速柴油机设计任务书，主要技术指标为缸径240毫米、行程275毫米、小时功率4000马力、额定功率3600马力、额定转速为每分钟1100转、平均有效压力1.6兆帕、四冲程、涡轮增压。
1969年9月，为庆祝中华人民共和国二十周年国庆，大连机车车辆厂试制成首台装用16V240ZJ型柴油机车的东风4型2001号机车。经过两万余公里的试运行，柴油机暴露出输出功率不足、排气冒黑烟、机油稀释、齿轮传动机构损坏等问题。1971年至1974年，大连机车车辆厂针对原型车试运行中出现的问题，对机车和柴油机的设计进行大量试验和改进。1974年下半年起，随着对柴油机的改进和试验考核取得步成果，加上当时中国铁路对大功率柴油机车的迫切需求，尽管还没有完成长时间的耐久性试验，东风4型柴油机车就忙于投入批量生产，但随着机车走行里程的增加，柴油机的可靠性问题不断暴露出来，柴油机相继出现如连杆螺栓断裂、连杆瓦盖断裂、连杆结合齿断裂、锻铝组合式活塞裂纹、配气齿轮打牙、凸轮轴剥离、滑油泵断轴等故障。为了提高机车和柴油机的可靠性和使用寿命，大连机车车辆厂进行了大量的改进和试验工作，并将研究成果陆续应用在新造机车上。1976年，工厂首先针对柴油机连杆螺栓和连杆盖断裂故障，采取使用滚压螺栓和加厚连杆盖、加设排气稳压箱等措施，并将经过上述改进的柴油机称为16V240ZJA型柴油机，并于同年下半年开始批量生产。
技术攻关.
从1976年末开始，柴油机又出现了更严重的机体裂纹，到1978年末已有多达143台柴油机出现机体裂纹，占当时已出厂东风4型机车总数的41.6%，导致大量机车无法运用返厂待修。设计部门通过大量试验研究查明，柴油机各种故障的根源在于机体强度和刚度不足，以及柴油机轴系动力性能欠佳所致。为此，工厂对柴油机机体等二十多个零部件进行了修改设计，包括将机体横截面由八面体改为六面体，加高主轴承座以增加机体的高度，主轴承盖加设了水平横拉螺钉，通过调整曲轴平衡块重量和加粗主轴颈来提高曲轴强度，重新设计凸轮轴的供油和配气凸轮型面，又将锻铝活塞改为整体薄壁球铁活塞，采用簧片式弹性联轴节以改善曲轴扭振性能等。1977年11月至12月，集中了上述改良的0255号柴油机完成500小时台架耐久试验，结果显示柴油机性能和部件状态良好，作为A型柴油机的升级产品定型为16V240ZJB型柴油机。1978年3月，铁道部科学技术委员会在大连召开了16V240ZJB型柴油机鉴定会议，批准B型柴油机初步定型，可以投入小批量生产。
根据鉴定会议的建议，大连机车车辆厂将0255号柴油机样机装上东风4型0282号机车。从1978年10月至1979年底，这台机车在丰沙铁路丰台西至张家口间进行运用试验，期间牵引货物列车共运行21万多公里，柴油机经拆检观察显示性能和主要零部件磨耗情况良好。为了使柴油机更加可靠，大连机车车辆厂决定参照国外柴油机的试验规范，对柴油机再进行2000小时高负荷耐久试验。1979年7月至1980年6月，大连内燃机车研究所对0503号柴油机进行了2000小时耐久试验，期间并试用了蠕墨铸铁气缸盖、加硼铸铁气缸套、九节式排气总管等新技术。与此同时，工厂先后在单缸机和三台16V240ZJB型柴油机上进行了三种标定转速的对比试验，最终决定在保持装车功率3300马力不变的情况下，将标定转速由原来每分钟1100转降为每分钟1000转，空转转速由原来每分钟500转降到每分钟430转，以降低柴油机零部件的机械负荷。1979年11月起，大连机车车辆厂根据铁道部的指示，开始生产装有16V240ZJB型柴油机的东风4型柴油机车。
1980年9月，大连内燃机车研究所选用东风4型0188号机车，进行了三种不同标定转速下的牵引热工性能试验。试验结果表明，柴油机在标定转速每分钟1000转的情况下，燃油消耗率、机油消耗率、最大烟度值等经济指标已经达到国外工业发达国家同类机型的先进水平。与此同时，大连机车车辆厂还对机车主要部件进行一系列地面试验，包括车体和转向架的静、动强度试验、静液压泵和液压马达的耐久性试验、牵引电动机通风机性能试验等，务求进一步提高东风4型机车的可靠性。1981年8月23日至9月11日，0660号柴油机在大连内燃机车研究所试验台完成了UIC 360小时耐久试验。
鉴定试验.
1982年12月，装用16V240ZJB型柴油机的0527号机车在大连机车车辆厂出厂，作为东风4型机车的升级换代产品，定型为东风4B型柴油机车。东风4B型与东风4型机车的差异除了柴油机型号外，前者还采用了由步进电机驱动的无级调速器，以及经过改良的强化散热器、冷却风扇和感温元件，主发电机输出功率由2,059千瓦提高到2,125千瓦，万吨公里油耗降低9.6%，厂修期延长30%。1983年1月至5月期间，东风4B型0527号机车在大连内燃机车研究所的定置试验台进行了牵引热工性能、电机温升、辅助功率消耗等试验。试验结果显示，东风4B型机车（柴油机标定转速每分钟1000转）与东风4型机车（柴油机标定转速每分钟1100转）相比，机车轮周效率由32.17%提高至33.4%，标定工况的燃油消耗率降低约4%，空转油耗约降低25%，主要零部件性能和可靠性均有所提高。完成定置性能试验之后，这台机车配属济南铁路局济南机务段投入20万公里运用考核，至1985年3月完成运用考核后进行第一次架修，运行试验结构显示在相同应用条件下，东风4B型机车的万吨公里油耗比东风4型机车降低约9.6%。1984年7月，东风4B型柴油机车正式投入批量生产，同时大连机车车辆厂停产东风4型机车。
1984年8月，铁道部科技局开始对东风4B型机车进行历时近两年的部级鉴定试验工作。1984年9月，首批25台东风4B型机车（1001～1025）配属乌鲁木齐铁路局哈密机务段投入运用。1985年1月，铁道部在哈密机务段随机抽样选取了两台机车。其中，东风4B型1006号机车负责进行牵引热工性能试验，而东风4B型1016号机车则用来做15万公里运行考核。1985年7月和9月，东风4B型1006号机车在北京环形铁道进行部级鉴定性能试验，试验项目包括机车牵引特性、电机温升、冷却性能、机车称重、柴油机起动及空转性能、牵引电动机电流及磁场削弱、制动性能等。由于试验期间北京当地气温未达到要求规定的40°C，因此该机车于1986年7月在新疆吐鲁番地区进行了第二次冷却性能试验。1986年10月15日至17日，铁道部在大连机车车辆厂召开东风4B型机车鉴定会，专家组意见认为东风4B型机车的牵引、热工、动力学和空气制动等性能及技术经济指标等，均已达到了设计任务书的有关规定，“其主要技术经济指标具有国内先进水平，在经济性、动力学性能等方面接近国外先进国家同类产品的水平”，正式批准东风4B型机车通过部级鉴定，但同时亦指出某些零部件在可靠性和质量上仍有改善空间，例如球墨铸铁活塞、排气管波纹管、燃油喷射系统等，并应尽快加装电阻制动装置。
1985年，东风4B型机车和16V240ZJB型柴油机车获辽宁省优质产品称号。1987年，东风4B型机车经国家产品质量评审委员会评定，获得1987年度国家金牌优质产品奖，并被铁道部正式指定为替代进口产品，结束中国大批进口干线柴油机车的历史。
持续改进.
东风4B型柴油机车投入生产以后，大连机车车辆厂持续对其进行各种设计改良。1985年，大连机车车辆厂完成加装机车三项安全设备（机车自动停车装置、机车信号装置和列车无线调度电话装置）的图纸设计及上报铁道部，并首先在东风4B型1245号和1246号机车上试用，翌年开始铁道部要求所有东风4B型机车加装三项设备以保障行车安全。1986年，大连机车车辆厂、永济电机厂、西安铁路信号工厂、西安微电机厂、天津机车车辆机械工厂联合对无级调速系统作出改进，解决了操纵杆易折断、步进电机扭矩不足等问题。1988年，为了解决柴油机B型连杆大头孔变形、使用寿命短等问题，设计出G型连杆并通过中车公司技术鉴定。1992年，工厂为部分在中国东北使用的东风4B型机车加装增压器防喘阀，解决增压器在严寒气候下容易发生喘振的问题。1993年，大连机车车辆厂为10台东风4B型柴油机车试装由四方机车车辆厂生产的双筒式风源净化装置，以提高空气制动系统的可靠性。1995年，新造的东风4B型机车加装了轮缘润滑装置，头灯由汞氙灯改为光线较为柔和的卤钨灯，并且改用ZN290型或VTC254-13型增压器，部分机车试装和的电器设备。
高原型机车.
1985年12月，为了满足中国西北高原地区铁路运输的发展需要，大连机车车辆工厂根据铁道部工业总局的指示研制了两台东风4B高原型机车。高原型机车装用了大连内燃机车研究所研制的45GP1301B型高压比涡轮增压器，以及美国伍德沃德公司的PGEV型调速器，使柴油机输出功率可以随海拔高度和气温变化自动修正。柴油机冷却水系统由开放循环改为封闭循环，以避免高原地区因冷却水的沸点降低而影响传热效率；空气滤清器亦由钢板网滤清器改为纸质滤清器，提高了机车的防风沙能力。此外，机车还安装了西安铁路信号工厂生产的一级电阻制动装置，以适应高原地区铁路长大坡度多的特点。1986年3月，首两台高原型机车配属乌鲁木齐铁路局鱼儿沟机务段，于横跨天山南北的南疆铁路鱼儿沟至库尔勒区段完成了高原牵引试验，并获得了令人满意的结果。高原型机车不仅高原牵引能力比一般机车大幅提高，万吨公里耗油量亦有所降低。在外温不超过20℃、海拔高度不超过3000米时，柴油机功率自动修正为2,900马力（2,133千瓦），机车输出功率修正约为1,845千瓦（2,470马力）。1988年起，在中国西部高原地区运用的东风4B型机车陆续改装高原增压器和电阻制动装置。东风4B型高原机车主要运用在青藏铁路集团公司、兰州铁路局、乌鲁木齐铁路局及呼和浩特铁路局。
客运型机车.
1980年代，为了适应中国铁路旅客运输量随着经济发展的迅速增长，铁道部在主要干线上组织扩大旅客列车编组辆数，要求“七五”期间将主要干线700多对旅客列车编组辆数增加至17—20辆，功率较小的东风3型和ND2型柴油机车已不能满足需要。1986年7月，铁道部向大连机车车辆厂提出尽快生产东风4B型客运机车的要求。1986年12月21日，大连机车车辆工厂试制出第一台东风4B客运型机车（东风4B型2101号），首先配属上海铁路局上海机务段投入运用。客运型机车是在货运型机车的基础上对牵引齿轮传动比加以改造而成，传动比由货运型的4.5（63：14）改为客运型的3.381（71：21），机车最高速度由100公里/小时提升至120公里/小时，除此以外柴油机、牵引发电机、牵引电动机等设备均与货运型机车完全相同。当客运型机车牵引编组辆数为20节、总重1100吨的旅客列车时，在平直道的均衡速度可达117公里/小时，在9‰的坡道上的均衡速度可达55公里/小时。1987年起，大连机车车辆工厂开始批量生产东风4B型客运机车。在1997年中国铁路第一次大提速之前，该型机车曾经是中国铁路客运机车的主力车型之一。
二级电阻制动.
继1985年两台高原型机车安装一级电阻制动装置取得成功之后，大连机车车辆工厂和西安信号工厂于1985年又研制了二级电阻制动装置。1986年6月，在新造的东风4B型1196号及1197号机车上试装了二级电阻制动装置，并在京广铁路信阳至广水之间进行了鉴定试验。当时，京广铁路信阳至广水区间的长大下坡道（上行线鸡公山至李家寨，下行线武胜关至孝子店），是长期制约提升京广铁路运输能力的瓶颈区间。但由于电阻制动装置在性能和可靠性方面未如理想，根据铁道部的指示需要对其继续作出改进。1989年2月，在新造的东风4B型1606号及1607号两台机车上安装了经过改良的二级电阻制动装置。二级电阻制动的目的是为提高机车在低速运行时的制动力，以适应自动闭塞区段的运行要求，即当机车速度降到约23公里/小时的时候，通过接触器开关将制动电阻短路一部分，从而提高低速区域的制动功率和制动电流。1989年初，东风4B型1606号及1607号机车在郑州铁路局管内郑州北至开封区间进行了电阻制动性能试验，二级电阻制动的应用可省去长大下坡道上列车由于制动闸瓦发热而停车凉闸瓦的时间，有效提高繁忙区段的自动闭塞区间的线路通过能力。1989年7月起，大连机车车辆工厂开始批量生产装有二级电阻制动装置的东风4B型机车。此后，两级电阻制动系统还被应用到东风4C型、东风7型、东风8型机车上。
生产情况.
1983年，为了转产东风4B型柴油机车及扩大工厂生产能力，大连机车车辆厂开始工厂的第四次技术改造，生产规划为年产东风4B型机车150台、16V240ZJB型柴油机180台、C62A型敞车2000辆，工程总预算约7000万元人民币，至1986年基本完工。这次工厂扩建工程中从国外引进了不少大型精密加工设备，例如日本的气缸盖及连杆加工中心，西德的曲轴连杆颈磨床、齿轮成形磨床、凸轮轴铣床、无损硬度试验机，奥地利的柴油机性能检测仪等等，为提高柴油机产品品质发挥了重要作用。1986年6月13日，大连机车车辆厂庆祝东风4型柴油机车总产量达到1000台。1986年，大连机车车辆厂年产167台东风4B型柴油机车、181台16V240ZJB型柴油机。“七五”期间，由于当时中国铁路运输能力持续紧张，机车车辆工业的生产能力仍未能满足需求，大连机车车辆厂从1987年起又开始第五次技术改造，生产规划为年产东风4B型机车220台、16V240ZJB型柴油机280台，并投资逾4700万元人民币从国外引进各种先进仪器，包括西德的柴油机机体加工中心、瑞典的连杆及气缸盖加工中心等，这次扩建工程于1990年基本完工。至1994年，大连机车车辆厂已经年产238台东风4B型机车。
1985年，根据全国铁路机车车辆工业系统的生产布局调整，铁道部要求资阳内燃机车厂、大同机车厂开始生产东风4B型柴油机车。1986年6月21日，资阳内燃机车厂生产的首台东风4B型3101号机车交验出厂，至1990年资阳内燃机车厂已经能够年产101台东风4B型机车。1986年9月22日，大同机车厂制造的第一台东风4B型6001号机车出厂，至1989年大同机车厂年产40台东风4B型机车。由于受到工厂自身生产能力的限制，大同机车厂仅负责制造车体和转向架以及最后组装，所需的柴油机、起动变速箱、静液压变速箱由资阳和大连两厂定点协作供应，电气设备由永济电机厂和西安信号工厂供应。1994年，广梅汕铁路向四方机车车辆厂订购了东风4B型7364号及7365号机车，由于当时四方机车车辆厂正在生产的东风4E型柴油机车，因此这两台东风4B型机车也采用了与之相同的车体外形。
截至1998年，大连厂、资阳厂、大同厂、四方厂累计生产了4303台东风4B型机车，这个数目相当于1999年中国铁路内燃机车保有量的42.5%。至1990年代末，虽然中国铁道部已经停止采购东风4B型机车，但大连厂、资阳厂至今仍然会根据地方铁路、工矿企业、海外铁路公司等的需求生产东风4B型机车。资阳机车厂生产的最后一批的东风4B型货运机车为9701、9702号，由中铁二局集团于2013年购置，用于非洲埃塞俄比亚和吉布提的亚吉铁路建设工程。大连机车车辆厂生产的最后一批东风4B型货运机车为7795、7796号，由承德钢铁集团张双铁路于2014年购置；而大连机车车辆厂生产的最后一批东风4B型客运机车为2684、2685号机车，由威海市地方铁路管理局于2006年购置，配属威海机务段并投入桃威铁路运用。
部分铁路局和机务段也会根据实际运用需要，对东风4B型机车进行变换牵引齿轮传动比的改造，将客运传动比改成货运传动比，或者将货运传动比改为客运传动比。而在1986年或以前生产的东风4型机车在后来返厂大修时，也都按照东风4B型机车的标准进行了改造，包括更换16V280ZJB型柴油机、联合调节器、增压器和联轴节等部件。除此之外，四方机车车辆厂生产的16组双节重联的东风4E型柴油机车，于2002年由戚墅堰机车车辆厂改造32台东风4B货运型机车，改造后的机车编号为东风4B型7701～7732号，此号段与大连机车车辆厂制造的32台东风4B型机车编号重复，因此该号段的每个编号各有两台机车，这两批机车在外观上基本完全相同，但仍可通过驾驶室空调布置和制造厂铭牌作出区分。
升级改造.
从1999年起，部分铁路局有鉴于东风4B型机车的牵引能力已不能满足运输的需要，但又缺乏资金购置新车型，为了节省成本而决定将部分东风4B货运型机车按照东风4D货运型的标准进行大规模翻新改造。按2000年代初的价格标准，一台东风4B型机车返厂大修价格约为130万元人民币，而改造为东风4D货运型只需260万元人民币。这类机车主要配属于乌鲁木齐铁路局和北京铁路局、太原铁路局。完成改造后的机车俗称东风4BD型或东风4B改D型，并保留原车的编号和铭牌，同时将原来的绿色涂装更改为与东风4D货运型机车相同的上半部奶黄色、下半部天蓝色涂装。
东风4BD型机车是在东风4B型机车的基础上翻新改造而成，主要改造内容包括柴油机、主发电机、牵引电动机、冷却装置等零部件，并对机车总体布置、辅助系统及辅助传动装置等部分重新设计，车体钢结构和转向架等部分仍沿用东风4B型机车原来的部件。机车换装16V240ZJD型柴油机、TQFR-3000ZG型主发电机和ZD109B型牵引电动机，空气滤清器更换为东风11型柴油机车的二级空气滤清系统（塑料惯性滤清器和铝板网式滤清器），或者东风4D型机车的多旋流管式风动自动除尘二级空气滤清器，高风沙地区用机车可加装钢板网滤清器或复合材料滤清器；对排气烟筒、燃油粗滤清器、机油热交换器、机油滤清器、冷却水系统管线进行更新改造。冷却室按照东风4D型机车进行改造，散热器单节数量由原来的56组改成44组，腾出空间用来增设辅助室间隔。辅助室室内一侧为不锈钢厕所，另一侧改为工具箱和风源净化装置。机车总体布局方面，为了降低Ⅱ端驾驶室噪音，增加一个辅助室和隔断，使机车布局从前到后变为Ⅰ端驾驶室、电气传动室、动力室、冷却室、辅助室、Ⅱ端驾驶室。电气传动室保留原车电器柜、电阻制动柜、励磁机、启动变速箱、前转向架牵引电机通风系统；对电气柜的主整流柜进行二次绝缘和通风改造；改造励磁机并加装微机控制的恒功率励磁调节装置等。
经过改造后的东风4BD型机车，牵引性能与东风4D货运型机车基本相同，柴油机装车功率由2,426千瓦提升至2,940千瓦，机车最大轮周功率由1,985千瓦提升至2,425千瓦，比东风4B型货运机车提高了超过20%。在相同运用条件下，改造后的机车在平直线路上牵引4000吨货物列车运行的最高平衡速度为89公里/小时，比东风4B型货运机车提高16公里/小时。东风4B改D型机车曾经配属于北京铁路局的丰台机务段、怀柔北机务段和天津机务段，其中怀柔北机务段的东风4B改D型机车曾经活跃于北京周边的铁路线，例如担当京包铁路关沟段的旅客列车本务和补机，担当北京东北环线、北京东南环线的货物列车牵引任务等。2017年，怀柔北机务段增配从南宁铁路局南宁机务段调拨的东风4D货运型机车，代替部分老化严重的东风4B型、东风4C型、东风4B改D型机车。太原铁路局侯马北机务段和乌鲁木齐铁路局库尔勒机务段亦曾配属东风4B改D型机车，侯马北机务段的机车主要负责北太焦铁路的货物列车牵引任务，而库尔勒机务段的机车则用于牵引南疆铁路的货物列车。库尔勒机务段的东风4B改D型机车已于2015年全部报废，北京铁路局怀柔北机务段南口运用车间的DF4B改D已于2017年全部报废。
援助朝鲜.
2006年至2008年间，中国铁道部先后多次将国内淘汰的东风4型和东风4B型机车无偿援助朝鲜民主主义人民共和国。在朝鲜民主主义人民共和国铁路系统中，这些机车被定型为朝鲜铁道200型柴油机车，机车编号为내연2xx（“내연”意为“内燃”），大多数配属咸兴铁道局咸兴机车队，担当货物列车和旅客列车的牵引任务。
技术特点.
总体布置.
东风4B型柴油机车是干线客货运用的六轴柴油机车，机车标称功率为2,660马力（1,990千瓦），货运型机车的构造速度为100公里/小时，客运型机车的构造速度为120公里/小时，运转整备重量为138吨。东风4B型机车采用双司机室、内走廊式、全钢焊接结构的框架式侧墙承载车体，车体由左右侧壁、底架、车顶、内部隔墙、两端司机室等部分焊接在一起，车体主要骨架采用16Mn低合金钢材，车体外部蒙皮为2.5毫米厚钢板，车体内壁喷涂聚胺酯泡沫塑料作为材料。车体长度为20,490毫米，车钩中心线间距为21,100毫米，车体宽度为3,100毫米（扶手杆之间最大宽度为3,309毫米），车体高度为4,725毫米。车体两端设有同等功能的，可双向操纵机车。车体底架两端装有车钩和牵引缓冲装置，初期生产的机车采用改进下开式3号车钩，自1990年以后生产的机车则按照铁道部颁布的TB1595-85号标准改用13号下作用车钩。每节机车的车体底架下部两台转向架之间，吊挂着一个容量为9,000升的燃油箱，燃油箱两侧设有铅酸蓄电池组，燃油箱前后端各装有一个总风缸。
机车从前到后分别为第一司机室、电气室、动力室、冷却室、第二司机室五个部分，其中电气室 、动力室和冷却室顶部均设计成活动顶盖，以便拆装车内部件。司机室内机车运行方向的左侧设有包含一系列仪表和按钮的司机操纵台、空气制动机的自动制动阀和单独制动阀等，右侧设有副司机座席及工具箱，司机室后壁设有装置手轮。电气室内设有电气控制柜、主硅整流柜、励磁整流柜、制动电阻柜等电气设备，由启动变速箱驱动的、、测速发电机、前转向架牵引电动机通风机、空气制动系统的分配阀等辅助设备布置在电气室后部地板上。位于机车中部的动力室内安装了一套柴油发电机组，并设有空气滤清器、、、、、预热锅炉等辅助设备。动力室顶棚两侧设有车体通风机，将柴油机运转时产生的燃气和热风抽出。为了方便对动力装置的检修，机车除了在司机室设有侧门外，在动力室的两侧也设有一对侧门。 
冷却室内设有冷却水系统和散热装置，冷却室顶部装有V型结构的肋片扁管式铜散热器，及以两个直径为1,600毫米的轴流式冷却风扇，冷却风扇由静液压马达传动。机车设有两套独立的循环冷却水系统，分别为冷却柴油机的高温冷却水系统（24个散热器单节），以及冷却增压空气、机油、静液压传动油的低温冷却水系统（32个散热器单节）。散热器下方设有静液压变速箱、后转向架牵引电动机通风机、机油热交换器、空气压缩机、起动机油泵等，柴油机自由端通过传动轴与静液压变速箱相连，并通过尼龙绳传动轴带动后转向架牵引电动机通风机。冷却室左右两侧侧壁各设有八个通风百叶窗口。空气制动装置采用具备阶段缓解和自动保压功能的JZ-7型空气制动机；制动机采用两台NPT5型空气压缩机与之配合，制动机可以单独制动机车或同时制动机车和列车。停车制动采用手制动装置。
动力装置.
柴油机.
东风4B型柴油机车装用一台属于240/275系列的16V240ZJB型柴油机。该型柴油机为、四冲程、V型结构、直接喷射、、废气涡轮增压、增压空气中间冷却的中速柴油机，为240毫米，活塞行程为275毫米，小时功率为4,000马力（2,980千瓦），持续功率为3,600马力（2,650千瓦），柴油机总重量为22,670公斤。与16V240ZJA型柴油机相比，16V240ZJB型柴油机在保持装车功率3,300马力（2,430千瓦）不变的条件下，将标定转速由每分钟1,100转降为每分钟1,000转，将最低工作转速由每分钟500转降为每分钟430转，以减轻柴油机运动部件的机械负荷，柴油机平均油耗率和空转油耗率亦有明显改善。同时，将柴油机机体横截面形状由八面体改为六面体，将原来机座高度减少250毫米，并在加高主轴承座以增加机体的高度，各主轴承盖都加设了水平的两个横拉螺钉以及加厚侧板等等，使机体纵向和横向刚度分别提高了60%和77%。为了提高曲轴的强度，将平衡块由原来只占平衡回转质量的15%，增加到平衡回转质量的50%左右，并将主轴颈直径由原来的220毫米增加到225毫米。此外，又用簧片式弹性联轴节代替半刚性联轴节，使柴油机由连续发火改为间断发火，并使曲轴可以按需要增加平衡重，达到降低机体和曲轴应力、减少轴承负荷的效果。16V240ZJB型柴油机并采用了无级调速装置，通过控制联合调节器配速机构上的步进电机，实现对柴油机的无级调速控制，以代替原来东风4型机车采用的16级手柄定位控制。除此之外，16V240ZJB型柴油机还采用了具有单螺旋槽柱塞的高压喷油泵、球墨铸铁活塞、加硼铸铁气缸套、九节式排气总管等新型零部件。
16V240ZJB型柴油机机体采用铸焊组合结构的六面体式机体，由整体铸钢悬挂式和钢板件组焊而成，并采用内外纵分隔的箱形结构和半隧道式的拱形。左右两列气缸中心线间夹角为50°，V形夹角上方设有主机油道、、、和排气总管，两套涡轮增压器及中冷器组对称安装在柴油机两端的上方。柴油机气缸由气缸套和冷却水套组成，气缸盖由耐热合金铸铁（大连厂）或蠕墨铸铁（资阳厂）制成。活塞采用整体薄壁球墨铸铁活塞，比以往的锻铝合金活塞减少了两道活塞环，有效改善了环槽磨损和气缸套穴蚀的问题。连杆采用左右气缸相同的锻钢并列连杆，使左右气缸前后错开74毫米。曲轴则分为钼铜稀土合金曲轴（大连厂）和合金钢整体锻压曲轴（资阳厂和四方厂）两种，并带有与曲轴铸造在一起的平衡重。柴油机由ZQF-80型起动发电机起动，其电源由蓄电池供给。柴油机完成起动后，启动发电机由直流串励电动机变为直流他励发电机，并通过电压调整器输出110伏特直流电，作为辅助发电机使用，用来给蓄电池充电并和向辅助电路及控制电路供电。
增压器.
16V240ZJB型柴油机采用废气涡轮定压增压系统，左右两侧气缸排出的废气通过排气支管和总管，分别进入两台涡轮增压器推动涡轮后排出，而新鲜空气由安装在车体上的空气滤清器吸入，经增压器增压后流经中冷器进行冷却，然后通过进气稳压箱和进气支管进入各个气缸。东风4B型机车最初装用天津机车车辆机械厂生产的45GP802-1A型增压器，该型增压器是在16V240ZJA型柴油机的45GP802-1型增压器基础上改良而成，采用单级离心式压气机和单级轴流式涡轮机，额定转速为每分钟23500转，涡轮前最高温度约为650°C。1993年2月起，新造的东风4B型机车改用天津机车车辆机械厂的45GP802-4型增压器，与前者相比该增压器改用了球墨铸铁扩压器、精铸整体喷嘴环、高温合金涡轮叶片等。由于这两种增压器有喘振裕度偏小、综合效率较低的缺点，后来东风4B型机车又先后使用过ZN300-LSD1（天津机车车辆机械厂，基于45GP1301型增压器）、ZN310-LSE（大连内燃机车研究所）、VTC254-13（江津增压器厂引进瑞士ABB技术）、ZN290（天津机车车辆机械厂，基于VTC254-13型增压器）等新型增压器。此外，大连机车研究所还为昆明铁路局研制了用于高原地区的ZN310-LSG型增压器。
空气滤清器.
柴油机进气采用由旋风筒式惯性空气滤清器和钢板网式空气滤清器组成的二级空气滤清器，在平原和沿海地区的一般清洗周期可达1.5～2万公里。然而，旋风筒滤清器在风沙较大地区的过滤能力很差，加快柴油机活塞环及气缸套等零部件的非正常磨损。因此，部分在中国西北地区运用的东风4型机车进行了改装，例如吸收了在引进ND5型柴油机车时通用电气转让的空气滤清器制造技术，在保留原来的旋风筒—钢板网滤清器之外增设了纸质滤芯滤清器，构成了旋风筒—钢板网—纸质细滤器的三级空气滤清器。
传动系统.
东风4型机车采用交—直流电传动装置，柴油机曲轴通过联轴节驱动一台交流同步发电机发出三相交流电，经由硅二极管组成的三相桥式整流装置整流为直流电后，再将电能输送给两台转向架上的六台并联连接的直流牵引电动机，通过传动齿轮驱动。柴油机与主发电机之间采用弹性联轴节连接，取代了东风4型机车的半刚性联轴节连接。
牵引发电机.
牵引发电机采用TQFR-3000型三相交流同步发电机，额定容量为2,985千伏安，额定电压为438／613伏特，额定电流为3,936／2,805安培，额定转速为每分钟1,100转，定子及转子分别为B级和H级，冷却方式为径向自通风式，主发电机净重为4,985公斤。牵引发电机的由一台专门的励磁机供给（下述），励磁机由柴油机通过启动变速箱驱动，其发出的交流电经励磁整流器转换为直流电后，给发电机的转子励磁绕组励磁。
整流装置.
牵引发电机发出的三相交流电由硅整流装置转换成直流电，机车设有一组GTF-4800/770型硅整流装置，由硅二极管元件组成三相桥式全波整流电路。硅整流装置有六个串联的整流桥臂，每一桥臂有六个并联的ZP500-20型风冷平板式整流二极管（正向额定电流为500安培，反向峰值电压为2,400伏特），每台整流柜共有36个二极管元件。硅整流装置的最大直流输出电压为770伏特，额定直流输出电流为4800安培。
牵引电动机.
牵引电动机为ZQDR-410型四极串励直流电动机，额定功率为410千瓦，额定电压为550伏特，额定电流为800安培，额定转速为每分钟647转，最高转速为每分钟2,365转，定子及电枢绝缘等级分别为H级和F级，冷却方式为强迫通风。为扩大机车的恒功率速度范围，可以在牵引电动机励磁绕组接入并联分流电阻，对牵引电动机使用二级磁场削弱，磁场削弱率分别为60%和43%。为了提高客运机车的恒功率速度范围，在1989年生产的东风4B型2228号至2231号机车上，改为使用与东风4C型柴油机车相同的ZQDR-410C型牵引电动机；从1991年生产的东风4B型2272号机车开始，以后生产的所有东风4B型客运机车全部采用ZQDR-410C型牵引电动机，使客运机车的最大恒功速度从95公里/小时提高到120公里/小时。ZQDR-410C型牵引电动机（国家标准型号为ZD109）的额定功率提升至480千瓦，额定电压为645伏特，额定转速为每分钟757转，定子及电枢绝缘等级均为F级，二级磁场削弱率调整为58%和42%。
电阻制动装置.
从1989年7月起，新造的东风4B型机车均加装了二级电阻制动装置。在电阻制动工况时牵引电动机变为他励直流发电机工作，其激磁绕组全部串联由牵引发电机经硅整流柜供电，并由电阻制动控制箱通过控制励磁机的励磁，从而间接控制牵引发电机输出给牵引电动机的励磁电流；牵引电动机发出的电流输入到车上两个电阻制动柜，将电能通过电阻器转化为热能消耗掉。为了提高机车在低速行驶时的制动力，东风4B型机车的电阻制动分为两级特性控制，当机车速度降至低于23公里/小时左右时，由控制箱自动短接一半的制动电阻，从而扩大了低速时的最大制动力范围。受制动电阻通风冷却条件的限制，最大制动电流限制为650安培，最大制动功率为3,100马力（2,316千瓦）。此外，为了使机车在静止状态测定各档位的输出功率和性能，机车还可以利用制动电阻作为自负荷试验的负载。
控制系统.
早期的东风4B型机车均采用由联合调节器伺服油压马达带动变阻器的自动调节励磁系统。这套励磁控制系统沿用自东风4型机车，主要由测速发电机、励磁机、励磁整流柜和联合调节器的功率调节滑阀等环节组成。牵引发电机的励磁电流是由一台GQL-45型感应子牵引励磁机发出的交流电经励磁整流器整流后供给，而励磁机的励磁电流则是由柴油机经启动变速箱驱动的测速发电机供电。测速发电机是一台他励直流发电机，测速发电机的励磁电流是由110伏特直流电经一个功率调节电阻供给，功率调节电阻的滑动触点由联合调节器上的功率伺服油压马达带动，它根据柴油机工作状况（欠载或过载）自动地调节可变电阻器的阻值，从而改变测速发电机的励磁电流，并经测速发电机和励磁机二级放大后，间接地改变了牵引发电机的输出功率。
利用联合调节器之恒功率励磁系统的主要缺点在于反应时间长、动态性能差，当牵引负载突变时往往未能及时调整牵引发电机的励磁。而且，东风4B型机车是以司机控制器手柄在第8档（对应柴油机转速每分钟780转）、功率调节电阻从短路到全部接入时，获得完整的牵引发电机外特性作为基准来确定功率调节电阻的阻值，因而产生了低档位时功调电阻调节量不足、牵引发电机处于最小励磁电流状况下转运的问题，致使机车在柴油机低转速时的功率太低，而当轮对发生空转时亦无法提供有效抑制空转的措施。虽然东风4B型机车在无级调速器中设有功率调整轮，当柴油机工作转速升到每分钟600转时，功率调节伺服油压马达即由其减载极限位开始转动，而当柴油机转速降到每分钟500转时，油压马达又回复至减载极限位，使其恒功率范围有一定改善，但仍未能完全解决上述问题。
因此，大连机车车辆厂、大连内燃机车研究所、资阳内燃机车厂等先后为东风4B型机车开发了各种方案的电子恒功率励磁或微机励磁控制系统。1985年12月，大连内燃机车研究所研制出使用Zilog Z80微处理器的微机励磁控制装置，并于1986年10月在沈阳铁路局锦州机务段的东风4B型1101号机车上试用。1987年，资阳内燃机车厂与株洲电力机车研究所合作，开始研制用于东风4B型机车的电子恒功率励磁和防空转控制装置，该方案透过直流电流传感器的反馈信号、场效应晶体管的脉宽调制（PWM）来改变励磁电流，并具有电阻制动控制、四级空转校正等功能，该装置于1989年8月装上资阳内燃机车厂制造的东风4B型3334号机车，随后配属上海铁路局南翔机务段并于1990年2月投入运用。从1990年代后期开始，部分东风4B型机车亦安装了大连机车车辆厂的LTQ-II型微机控制励磁调节器，或者由武汉正远铁路电气公司开发的ZY2000型微机控制系统。
转向架.
机车轴式为Co-Co，走行部为两台相同的无导框式三轴转向架。转向架采用钢板组焊成封闭式箱形结构的“目”字形构架，由箱形截面的两根侧梁、两根横梁、前后端梁组焊而成，并分别焊有旁承座、拉杆座、外侧弹簧座、牵引拐臂座、电机吊杆座、水平杠杆座、横向止挡、制动座、制动缸座及砂箱座等。轮对轴箱内装有四列向心圆柱滚子轴承，轴箱定位装置采用拉杆式弹性定位结构，轴箱通过装有橡胶关节元件的上、下轴箱拉杆与构架相连接，实现轴箱相对于构架的横向和纵向定位。转向架采用四点支承弹性油浴摩擦旁承装置，车体全部重量通过八个旁承由两台转向架支承，有利于抑制转向架在直线运行时的蛇行运动。此外，转向架与车体间还设有弹性侧挡装置，使转向架进出曲线时能够相对与车体进行回转运动。弹簧悬挂装置分为一系和二系悬挂两部分。一系悬挂采用独立悬挂形式，包括轴箱与构架之间的轴箱圆弹簧，用于衰减吸收来自轨道高频振动的橡胶垫，以及在1、3、4、6轴装有并列的液压减震器；二系悬挂为转向架构架与车体之间的旁承橡胶堆。牵引力和制动力通过低位平行四杆牵引杆机构传递，牵引点至轨面距离725毫米，有利于提高机车粘着利用率。
牵引电动机采用单侧齿轮传动的轴悬式驱动方式（滑动抱轴承式半悬挂），即牵引电动机的一侧通过抱轴瓦（滑动轴承）刚性地支承在车轴上，另一侧通过弹性元件（橡胶垫）和吊杆悬挂在转向架构架上。全部牵引电动机采用顺置排列方式，即牵引电动机都放在车轴的同一侧，使牵引电动机相对于转向架构架产生的支反力作用方向相同，结合弹性旁承产生的支反力矩予以平衡，可以有效地减少轴重转移的幅度。东风4型机车根据牵引齿轮传动比分为客运型和货运型，从而使机车的牵引特性能满足不同需要。客运型的齿轮传动比为3.75（60：16），最高运行速度为120公里/小时。货运型的齿轮传动比为4.5（63：14），最高运行速度为100公里/小时。基础制动方式为带闸瓦间隙自动调节器的单侧踏面制动，每个车轮各有一套制动装置，当机车施行制动时，制动缸从空气制动机获得压缩空气，并通过杠杆机构使闸瓦抱轮产生制动作用。停车制动为手制动装置。
衍生车型.
东风4C型.
为了进一步提高东风4B型柴油机车的牵引性能、可靠性、耐久性和经济性，大连机车车辆厂于1984年开始研制东风4C型柴油机车。1984年9月17日，大连机车车辆厂试制出第一台16V240ZJC型柴油机，该机型是在16V240ZJB型柴油机的基础上，对曲轴、连杆盖、气缸体、凸轮轴、配气齿轮等零部件进行改良而成，并改装江津增压器厂根据瑞士ABB公司授权生产的VTC254-13型增压器。1985年9月，大连机车车辆厂试制出第一台东风4C型柴油机车。东风4C型柴油机车与东风4B型柴油机车相比，除了柴油机装车功率提高到3600马力（2647千瓦），又改为使用ZQDR-410C型牵引电动机。此外，东风4C型柴油机车的总体布置和电气控制方面也作了较大的改进，例如缩减了散热器单节数量，加装了双机重联、电阻制动、电子恒功励磁等装置。东风4C型柴油机车于1989年投入批量生产，并于1991年7月通过铁道部部级鉴定。
东风6型.
1982年起，大连机车车辆厂与英国里卡多公司开展技术合作，经过对16V240ZJB型柴油机进行全面评价，开始研制装车功率为4000马力（2940千瓦）的16V240ZJD型柴油机。1986年末，第一台16V240ZJD型柴油机在大连机车车辆厂完成组装，并于1987年至1988年间完成多次严格试验。1989年1月，首两台装用16V240ZJD型柴油机的东风6型柴油机车在大连机车车辆厂问世。东风6型柴油机车是以东风4B型柴油机车为基础的升级换代产品，通过大连机车车辆厂与美国通用电气公司的技术合作，对机车及其主要部件作出了重要改进，装用通用电气的电机、电器和微机控制设备，使机车性能达到同时期通用电气“Dash-8”系列C39-8型柴油机车的标准。与东风4B型货运机车相比，东风6型机车的持续牵引力从324千牛提升至360千牛，机车轮周效率从33.9%提升至35.44%，并且在机车运用速度（从持续速度22.2公里/小时到最大设计速度118公里/小时）范围内能够实现恒功牵引特性控制，在平道牵引4000吨列车的均衡速度可达86公里/小时。此后，大连机车车辆厂又分别于1991年和1995年生产了装用国产化零部件的两台机车。东风6型柴油机车虽然按规定完成了鉴定试验，但因各种原因未能投入批量生产。
东风4E型.
为了满足中国《铁路主要技术政策》（铁科技〔1993〕166号文）的规定 ，提高货物列车的最高行车速度，在繁忙干线上开行5000吨及以上的重载货物列车，并在平直道上使其最高速度达到90公里/小时，四方机车车辆厂于1994年初开始设计双机重联的东风4E型柴油机车，同年年底完成首台样车试制。东风4E型机车是在东风4B型机车的基础上设计而成，实质上相当于两节固定联挂的东风4B型机车，两节单司机室机车通过微 机控制重联装置实现同步控制。机车动力装置采用由四方机车车辆厂自行制造的16V240ZJB型柴油机，与大连机车车辆厂制造的柴油机不同的地方，是其机体采用高强度球墨铸铁整体铸造，曲轴采用优质合金钢整体锻造，改善了柴油机的整体性能和可靠性。此外，东风4E型机车还采用了永济电机厂引进美国通用电气公司技术生产的ZD109A型牵引电动机，有效扩大了机车恒功率调速范围，并使牵引电动机的可靠性得到提高。1994年至1997年，四方机车车辆厂共生产了16台东风4E型机车，全部配属上海铁路局南翔机务段运用。
20世纪末，随着新一代大功率重载货运柴油机车——东风8B型柴油机车面世，逐渐取代了燃油消耗率较高及运用灵活性较差的东风4E型机车，担当沪宁铁路的重载货物列车牵引任务。2002年，全部东风4E型机车由戚墅堰机车车辆厂改造为32台东风4B型货运机车，改造内容主要针对司机室和车体钢结构，辅助传动系统和冷却水系统亦改用与东风4B型机车通用的配件，而柴油发电机组、牵引电动机、转向架等主要部分则仍然沿用原车部件。经过改造后的机车采用东风4B型7701～7732号的车号，而此号段与大连机车车辆厂制造的32台东风4B型机车编号重复，因此该号段的每个编号各有两台机车。
东风12型.
1997年，资阳内燃机车厂在东风4B型柴油机车的基础上，开发研制了东风12型重型调车兼小运转用柴油机车，适用于大型编组站和工矿企业5000吨级货物列车的调车和小运转作业，亦可担当一般干线的货运任务。为了方便机务部门运用和维修东风12型机车，其主要零部件可以与东风4B型或东风4C型机车通用互换，机车动力装置采用3300马力的16V240ZJB型柴油机，传动系统采用TQFR-3000型牵引发电机和ZQDR-410型牵引电动机。根据调车机车频繁调速、换向和经常在部分负荷下工作的特点，东风12型机车还采用了微机控制系统，具有发电机恒功率励磁和限制柴油机功率升降速度等功能。
CKD9C.
2005年，中国南车集团资阳机车有限公司在东风4B型货运机车的基础上，为中亚地区开发研制了双机固定重联的CKD9C型干线货运柴油机车。该型机车的动力装置与电传动系统和东风4B型机车完全相同，装用16V240ZJB型柴油机（标定功率为2650千瓦，最大运用功率为2430千瓦）、TQFR-3000型同步主发电机及ZQDR-410型牵引电动机。走行部为23吨轴重的三轴转向架，机车车体采用单司机室内走廊结构，两节机车之间设有电气重联控制电缆和空气制动系统重联控制风管，可在任何一节机车的司机室内对全车进行统一控制。机车还设有微机控制系统、行车安全速度监控系统和具有全功率自负荷功能的电阻制动装置。截至2014年，资阳机车公司已为土库曼斯坦、哈萨克斯坦、蒙古国的多家铁路公司生产了超过50台CKD9C型机车。
GKD1.
1990年，大连机车车辆厂为参与贵阳煤气工程用机车国际招标，开发研制了专为工矿企业设计的GKD1型四轴调车机车。该型机车是东风4B型柴油机车的系列延伸产品，机车装用一台1,350马力（990千瓦）的6240ZJ型柴油机，这是在16V240ZJ型柴油机基础上发展而成直列6缸机型，电力传动装置采用TQFR-1000型牵引发电机和ZQDR-410型牵引电动机。