為保證機車運行的高可靠性,東風11Z型內燃機車為兩臺機車固定重聯的組合式機車。每個機車組由兩臺結構相同的單臺機車牽引。每輛機車均設置單司機室,II端司機室更換為輔助司機室。兩臺機車之間設有通過平臺,接頭處采用封閉式擋風玻璃。司機室內裝飾參考了“新曙光”內燃動車的駕駛室設計。機車配備16V280ZJA柴油機,最大運行功率3610kW,最高運行速度160km/h。為提高機車的可靠性,機車的柴油機、燃油系統、冷卻水系統、空氣濾清器系統、車體、制動系統、電傳系統、微機控制系統均在東風11型機車的基礎上進行改進,關鍵部件均按軍品設計選型。它也是中國第壹臺采用LKJ-2000型監測記錄裝置的機車。機車上使用了很多進口零部件,如柴油機的噴油泵和噴油器是奧地利博世公司制造的,美國伍德沃德公司的PGEV調速器,柴油機的渦輪增壓器是瑞士ABB公司進口的。
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