日本の気動車史
国鉄気動車は長年にわたり、冷房システムを電車と同一の電動式冷房装置に依っていた。このため空調やサービス機器用の電源は、専用エンジンを用いた発電機(発電セット)を搭載して確保せねばならなかった。たとえばキハ58系では、冷房用電源の4VK形発電機(自車を含め3両分の冷房電源を供給可能)を搭載したキハ65・キハ28・キロ28が編成に含まれなければキハ58の冷房が使えず、冷房サービスを敷衍させるには自由度を欠いていた。また単行運転される両運転台気動車は、空調用電源エンジンを搭載するスペースの余裕がないか、スペースがあっても過剰装備となりコスト面で不利なことから、容易に冷房化できない状況が続いていた。
高出力の直噴直列6気筒エンジンを搭載した新形気動車では、出力に余裕があることから、バス同様、冷房装置の空調用コンプレッサーを走行用エンジンの余力で直接駆動するように改められた。廉価なうえに、気動車1両単位でシステム完結した冷房化が可能なため、国鉄末期に登場したキハ185系などを皮切りに、単行運転向けの両運転台車から、特急形車両に至るまで多くの気動車でこの種の方式が採用されている。走行用エンジン出力が不足気味の車両では、一部のバスと同じく、別搭載の小型サブエンジンによってコンプレッサーを直接駆動する方式が採られている。
一部の車両は、発電機を一定速度で回転させる仕掛けである定速回転装置(次節で詳述)を介して走行用機関で発電機を駆動し、電気式冷房装置を稼動させている。この方式では、冷房を使用しない時期の発電電力を電気暖房に使う事ができるため、従来の機関廃熱利用の温水暖房に比べ、大幅に冷却系を縮小できる。よってメンテナンスコストの軽減にもつながる事となる。このシステムを採用した車両は徐々に増えつつある。例として、キハ283系気動車があるが、この車両はAC三相440 V・60 Hz、25 kVAの発電機を各機関に1台(1両で2台)装備し、冷暖房兼用空調装置のほかに別に装備された電気暖房の電源としても使用している。
国鉄特急形気動車での冷暖用を含むサービス電源は、3 - 4両ごとに搭載された大容量ディーゼル発電セットによってまかなわれていた。そのため当該部位には制御盤や大形冷却器が設置され、機器室とせざるを得ないことから客室定員が犠牲となっており、高回転で定速運転される発電用エンジンの騒音も避けられなかった。また、その重量と設置スペースの大きさから、軸重維持のため走行用エンジンが1基のみに限られる、水タンクを搭載できないためトイレを省略する、給電能力の都合から一定の割合で編成に発電セット搭載車を組み込む必要があるなど、組成や運用面でも多くの制約と不合理があった。
これらの短所を補うためには、各車でサービス電源を自給でき、かつ、システム全てが床下に収まるものが必要となる。旧来の客車や気動車にも、一両単位の床下分散電源方式が用いられていたことがあるが、これらは全て小型ディーゼルエンジンによって駆動されるもので、集中制御ができず、床下での排気や騒音の点で既に時代にそぐわないものとなっていた。また、中容量床下分散型の例は、キハ58系急行形気動車の冷房化に際して採用された「3両給電方式」(前述)があるが、上記の欠点に加え、重量と艤装スペースがやや大きく、搭載が1エンジン車に限られる制約があった。
これらの問題を全て解消すべく、当形式では各車に中容量の発電機を分散搭載しつつ、その動力源を走行用エンジンに求める方式が新たに開発された。交流発電機の駆動力を走行用エンジンから得る場合、列車の運転状況によりアイドリングからリミットまで回転数が変化することとなり、一定の周波数を保つことが難しい。そこで、2つの方式で発電機の回転を一定速に保つ機構が考案された。ひとつはJR北海道キハ283系気動車で採用された油圧ポンプと油圧モーターを用いて発電機を駆動するシステム、もうひとつはJR西日本キハ187系気動車・JR西日本キハ126系気動車で採用された湿式多板式スリッピングクラッチを用いたを介して発電機を駆動する方式である。前者は油圧を一定圧に保つことにより定速回転を実現し、後者は油圧クラッチの作動圧力をコントロールすることで定速回転を実現した。両者とも動力の伝達はVベルトを廃した歯車とシャフトによるもので保守作業も軽減されている。
一方、第三セクター以外の従来からの非電化私鉄各社も、モータリゼーションの進展を背景に1980年代までに多数の路線廃止が生じ、残存した会社もその多くが慢性的な赤字経営に陥っていた。この時期になると、これらの在来非電化私鉄における気動車の需要は老朽在来車のやむを得ない置き換えに限られ、それも国鉄や廃止私鉄の中古車両を譲受することで充足された。
このような状況から、地方私鉄で完全新製の気動車を1970年代まで増備し続けたのは、小湊鉄道ただ1社のみであった。同社は1961年に国鉄気動車を設計ベースとしたキハ200形を新製したが、これを僅かな改変のみで1977年まで新製増備し続けた。搭載エンジンは初期車から最終増備車まで一貫して前時代的なDMH17C形機関であり、形式統一を優先したが故の特異例と見ることができる。
また高度成長期以降沿線のベッドタウン化が進展していた関東鉄道常総線は、本来ならば電化すべき輸送密度であるが、近隣の柿岡に地磁気観測所が所在する関係で単純な直流電化は地磁気観測所に影響が生じるためできず、地磁気観測に影響しない交流電化も高コストになるという不利な立地条件にあった。このため同社は、日本の気動車としては珍しい3扉ロングシート仕様の純通勤形車両を1970年代後半から1980年代前半にかけて製作したが、それらは古い国鉄払い下げ車からエンジン・台車・変速機等の主要機器類を流用し、車体のみを新製したDMH17機関搭載車で、技術的な新味には乏しかった。
1980年代後半までおおむねこのような停滞状況が続いたが、この時期になると国鉄改革の影響で設立された第三セクター鉄道向け小型気動車が比較的ローコストで供給されるようになり、既存非電化私鉄でも、合理化と旅客サービス改善を念頭に置いてこの種の車両を導入する動きが生じてきた。
この結果、全面置き換えないしは主力車両としての位置づけで、1990年代以降新型気動車の導入が各私鉄で進んだ。ほとんどは鉄道車両的体質の強い新潟鐵工所製NDCのバリエーションで18 m級以下が多いが、輸送量の多い通勤路線である関東鉄道や水島臨海鉄道では、NDCの機構をベースとした通常形気動車と同等の20 m級大型車も出現している。
これらの新車群の出現と並行して、在来形気動車のワンマン化・冷房化改造・エンジン交換等の動きも生じている。
しかし第三セクター各社共々、非電化私鉄には経営困難な状況の路線が多く、新型車両を導入した鉄道でもなお経営改善を実現するまでには至っていない。新型気動車を導入するまでに至らず、貨物輸送のみを残した例も含め、旅客営業を廃止した私鉄は1990年代以降も多数の例が生じている。
2003年にはJR東日本とJR総研により、シリーズ式ハイブリッド気動車であるキヤE991形「NEトレイン」が協同試作され、試験に供された。続いてJR東日本は、実用試験車のキハE200形を製作、2007年7月より小海線へ投入し、必ずしもハイブリッド車にとって最適条件とは言い難い小海線における実際の旅客営業において多くのデータを蓄積した。2010年からはキハE200形のシステムを踏襲したJR東日本のハイブリッド式リゾート気動車HB-E300系が製作され、東北地方および長野県のローカル線で観光列車として営業運行を開始、2015年には、交流電化方式の東北本線と直流電化方式の仙石線を非電化の接続線を介して直通する「仙石東北ライン」向けにHB-E210系が導入された。
またJR北海道では2007年10月に、JR東日本とは異なる方式であるモーターアシスト式ハイブリッド気動車を開発し、キハ160形を種車に試験車両であるITT (Innovative Technology Train) を完成させていた。こちらは機器の大きさや費用がJR東日本方式の半分程度で済む上、既存の気動車への取り付けも可能なシステムとなっている。モーターアシスト式ハイブリッドはキハ285系として実用化を目指したが、営業運転されるまでには至らなかった。
気動車そのものを代替する技術として、車両に何らかの電源を搭載し、非電化区間を走行可能な電車が開発されている。
2010年頃からは、電化区間でパンタグラフから集電し蓄電池に充電してその電力で非電化区間を走行する方式の電車が開発され、2014年にはJR東日本が東北本線・烏山線(宇都宮 - 烏山間)にEV-E301系を営業投入して実用化している。EV-E301系は直流集電式であるが、翌2016年にはJR九州が筑豊本線(若松線)に交流集電式のBEC819系を営業投入し、さらに2017年には、JR東日本がBEC819系をベースに耐寒耐雪対応等のカスタマイズを行った交流集電式のEV-E801系を奥羽本線・男鹿線(秋田 - 男鹿間)で営業投入した。
電気式気動車は日本においては長らく顧みられてこなかったが、電車との部品の共通化などのメリットから、JR東日本によって2019年に電気式気動車GV-E400系が導入され、翌年にはJR北海道でも兄弟車であるH100形が営業運行を開始した。なお、先行して開発が行われていたハイブリッド気動車のうち、シリーズ方式の車両は電気式気動車に蓄電池を搭載したものである。
鉄道総合技術研究所のR291形や先述のキヤE991形を改造したJR東日本のクモヤE995形など、燃料電池を用いた電車の研究も行われている。
昨今ではディーゼルエンジンの環境に対する悪影響が強く指摘され、気動車エンジンにも環境対策を施す例が見られるようになっている。鉄道における内燃車両の排気ガス対策は、自動車や船舶に比べても立ち遅れており、日本でもようやく本格的な取り組みが始められようとしている。