上世纪90年代，中国铁路客运线年时全国铁路旅客列车平均运行时速不到每小时49公里，特快列车的最高运行时速也只有每小时110公里。相比西方发达国家动辄超过每小时100公里的旅客列车运行时速差距巨大。再加上民航和高速公路客运的迅猛发展，挤占了铁路的客运量。1980年铁路客运量占客运总量的54.1%，到1995年时锐减至39.4%，所以铁路客运急需一场大刀阔斧的改革。
面对这一严峻形势，时任铁道部部长在1995年1月主持了铁道部部长办公会，决策从1997年4月1日起正式实施既有线铁路大面积提速，具体事宜由铁道部副部长（划重点、要考）和总工程师华茂崑主持。
从1995年到1996年，有了广深铁路和京广线郑州至漯河间的提速改造试验，铁道部在1996年11月20日19时进行了第一次大提速的试验运行，实验列车在京广线郑州至漯河间跑出了每小时185公里的最高时速，另外能以每小时120公里的时速连续运行11小时、以每小时140公里的时速连续运行5小时，以每小时160公里的时速运行4小时30分钟。
1997年4月1日0时，中国客运铁路首次大提速正式实施，提速线路为京哈、京广、京沪、京山四大干线，提速后旅客列车的最高运行时速从每小时110公里提升至每小时140公里，平均运行时速从1993年的每小时49公里不到提升至了每小时55公里。
在进行大提速的准备工作的同时，铁道部预见到现有的东风4B型、东方红3型、北京型等国产内燃机车和进口自罗马尼亚的ND2型内燃机车对牵引提速后的旅客列车会显得力不从心，于是在1995年对国内内燃机车研制经验最丰富的大连机车车辆厂下达了研制一款专门用于提速后的客运运输的大功率内燃机车的任务。
当时，大连机车车辆厂手中有一张“王牌”，那就是大连机车车辆厂和英国里卡多咨询工程公司于1986年开始在东风4型机车的主动力16V240ZJB型柴油机基础上合作研发的16V240ZJD型16汽缸、四冲程、废气涡轮增压的直喷式V型中速柴油机，上限功率4400马力，装车功率4000马力。装车试验表明该型柴油机能让东风4B客运型内燃机车跑出每小时145公里的时速。
因此，大连机车车辆厂决定以东风4B型客运内燃机车和东风4C型货运内燃机车为基础，研发新一代客运交—直流电传动内燃机车，车型代号DF4D。
1996年1月，第一台DF4D型客运提速内燃机车DF4D-0001号车完成试制，其外观上完全沿用东风4C型机车，其特点是车顶采用直线造型，看上去“方头方脑”的。DF4D-0001号车出厂后立即前往北京，随即由铁道部科学院、北京铁路局、大连机车车辆厂合作先后在京承铁路、京秦铁路进行跑车试验（本厂长的大舅、第一届“詹天佑奖”获得者罗林当时作为铁科院的专家组成员之一参加了这次试验）。
照片中右边第一人即本厂长的大舅、铁科院高级工程师、第一届詹天佑奖获得者罗林
在试验中，DF4D-0001号车表现出良好的运行平稳性、曲线通过性和制动性并跑出了每小时157.7公里的单机结构时速，测试圆满成功。
1997年2月，DF4D-0001号车又在铁道部质检中心内燃机车检验站进行了定置牵引试验，在牵引标准旅客列车的情况下跑出了每小时146.7公里的最高时速，平均时速为每小时145公里，达到设计的基本要求。由于当时铁路大提速已经实行，急不可耐的铁道部当月就批准将东风4D型客运内燃机车投入批量生产，即便此时DF4D-0001号车还不进行运用考核。
东风4D型提速内燃机车是第一种边运用边考核的机车车型，考核也是分阶段进行的。1997年夏，铁道部完成了对16V240ZJD型柴油机的部级鉴定试验（包括UIC100小时性能测试和ORE360小时耐久性试验）。
1999年1月，铁道部选用了济南机务段的DF4-0336号车至2000年3月完成了30万公里运用考核，期间机车没再次出现因质量上的问题造成机破和临修，且燃油经济性优异，很受机车乘务员的好评，只是发动机的一个活塞铝裙出现了严重裂纹。
1999年8月至9月进行的兰新线提速试验中，时任铁道部副部长组织带领铁道部、兰州铁路局有关部门乘坐东风4D型机车牵引的试验列车在张掖至嘉峪关段、嘉峪关至疏勒河段进行运行试验，期间列车最高时速分别达到每小时149公里和每小时153公里，超过规定的速度要求。
1999年10月，铁道部选中三棵树机务段的DF4-0365号车至2000年8月完成了30万公里的运用考核，考核后拆检发现机车各主要部件全都良好。
后续生产型修改了车顶的线C型机车“方头方脑”的外观，更换成了更类似东风4B型机车圆弧形车顶外观——
1、其装用的16V240ZJD型柴油机相比东风4B装用的16V240ZJB型柴油机输出功率更大，故障更少，经济性更好，允许机车在牵引全重1100吨的旅客列车时在平直线公里的平均时速，最高时速为每小时157.5公里，大大高于东风4B型的每小时120公里的最高运行时速。
2、改进了转向架，相比东风4B客运型机车的转向架震动更小，高速行驶时更加平稳。
3、采用了经过东风6型内燃机车上充分验证的高温冷却系统、密闭压力水箱和新型机油热交换器，将冷却水和机油的最高允许温度提高到98度。
4、采用了永济电机厂新开发的TQFR-3000E型交流同步牵引发电机和ZD109B型直流牵引电动机，可靠性较东风4B的牵引发电机和牵引电动机大为提高。
东风4D型提速客运机车因生产数量多，所以被普遍的应用于北京铁路局的北京内燃机务段、石家庄机务段、天津机务段；上海铁路局的上海机务段、南京机务段、合肥机务段；济南铁路局济南机务段、徐州机务段；沈阳铁路局沈阳机务段、吉林机务段、苏家屯机务段、山海关机务段；郑州铁路局郑州机务段；西安铁路局西安机务段；广铁集团长沙机务段，汕头机务段；哈尔滨铁路局三棵树机务段、牡丹江机务段；乌鲁木齐铁路局乌鲁木齐机务段、库尔勒机务段；呼和浩特铁路局呼和浩特机务段；南宁铁路局柳州机务段；南昌铁路局鹰潭机务段、福州机务段等单位。其优异的性能使得该型机车成为铁道部第一次、第二次和第三次大提速时的主力客运机车，是见证了中国铁路客运大提速的重要车型。
由于东风4D型提速客运机车的涂装采用大面积的“上黄下红”涂装，这种配色方案在视觉上极具冲击力，类似老虎的威猛，因此被车迷亲切地称为“老虎”，另有一部分机车采取了特殊冠名涂装——
随着更新的大功率客用内燃机车和电力机车的投入运用，东风4D提速型内燃机车逐步从一线日印发的《老旧型铁路内燃机车淘汰更新监督管理办法》，东风4D型提速客运机车在2035年年底全部淘汰，或者改造为新能源动力机车。
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