国鉄キハ90系気動車
落成した試作車は千葉気動車区に配置され、性能試験は当初房総西線で行われた。その後、名古屋第一機関区に転属し、量産試作車とともに中央西線および篠ノ井線で急行「しなの」として運用された。この試験結果を元に、キハ65形気動車やキハ181系気動車が登場した。
キハ181系による特急「しなの」の運転開始後は中央西線で急行「きそ」として運用され、1973年7月の中央西線・篠ノ井線電化完成によって165系電車に置き換えられるまで使用された。
本系列最後の運用の場となったのは、高山本線の急行「のりくら」のうち、名古屋 - 高山間の1往復であったが、機関の冷却性能不足と複雑な制御系に起因するトラブルは絶えなかった。さらには特殊な補修部品が枯渇したこともあり、1976年10月のダイヤ改正に先んじて同年9月3日にさよなら運転を行い、運用を終了した。
その後は車齢が10年未満で廃車手続きが困難であったことからしばらく保留車として留置されていたが、1978年(昭和53年)8月31日付で全車廃車となり、長らく保守を担当してきた名古屋工場で全車解体処分された。
まず1966年(昭和41年)に、DMF15HZA形300 PS エンジン1基を搭載するキハ90形と、DML30HSA形500 PSエンジン1基を搭載するキハ91形を1両ずつ製造し、出力の異なる2種類の機関の性能比較が行われた。
千葉鉄道管理局管内を中心に実施された評価試験の結果、300 PSエンジンは山岳線区で1両につきエンジン2基を搭載する必要があったため、1基あたりの出力が大きい500 PS エンジンを1基搭載し、同程度の編成出力でも編成全体のエンジン数を少なくしたほうがコスト的に有利で、しかも500 PS エンジン1基搭載車の場合、将来の冷房化の際には発電セットを床下搭載することが可能な点でもメリットがあると判断された。この結果、500 PS 級のDML30HSAが国鉄気動車の次代を担う新系列気動車用機関として正式採用された。
その後、この新しい大出力エンジンを搭載した気動車を営業列車に投入して長期的な性能試験が行われることになった。このため、急行列車1編成として営業運転が可能な両数の量産試作車を用意する必要が生じ、1967年(昭和42年)7月28日から同年7月31日にかけてキハ91形量産試作車7両と、特急形気動車製造の際に食堂車等の優等車を付随車とするためのデータ取得、また急行列車での一等車需要を考慮して、一等付随車であるキサロ90形3両がそれぞれ製造された。
DW3A・DW4A・DW4Bともに変速段数の少なさを補い、なおかつ中速域での出力を確保するため、高速域まで過回転状態のままで変速段で引っ張る設定にされている。この変速段使用時の変換効率は最良の条件(ピークは約62 km/h)でも80 % 前後で、液体式変速機としては一般的な性能であった。
もっとも、これは効率の悪い変速段を十分高速に達するまで常用するため、常時過回転状態に置くなど、エンジンに過大な負担をかける設計でもあり、この変速機は特に本系列や後続のキハ181系による、中速域が常用される山岳線区での優等列車運用において、エンジンの異常過熱を原因とするトラブルが多発する原因の一つとなった。
営業運転で多用される中速域で機関出力をフルに生かせないという本系列の走行特性は、ストールトルク比の小さい(ゆるい)トルクコンバーターと、直結段が1段しかないことから来ており、爪クラッチ式多段直結変速機が実用段階に入る1980年代末まで、長く日本の新系列液体式気動車のウィークポイントであり続けた。
これら2両は暖地形のシャッターのないタイフォンを装備し、特にキハ91 1の新製当初は、横長のグリルを持つ独自形状の大形タイフォンケースであったが、後にキハ90 1と同様の通常タイプのタイフォンに交換され、廃車までそのままとなっていた。
これに対し、キハ91形量産試作車では前照灯が同位置のままキハ58系と同様の車体から一段飛び出した形状の灯具に変更された。また、尾灯が形式図(図面番号DC0456)では試作車と同寸法で記載されていたが、完成した実車では大型の寒冷地型タイフォンとの干渉を避けてより外側に設置されている。
キハは全車とも運転台側妻面下部にスカートを備える。
運転台は人間工学に基づいて、マスコンハンドルとブレーキハンドルは新設計の前後操作式(前進:力行・後退:制動)と操作しやすいものとなった。制御指令信号は密着自動連結器の下部に取り付けられた空気管内蔵の専用電気連結器によって伝達される。ただし、制御指令信号線は在来形気動車と互換性がないため、異常時等にそれらとの併結運用が実施される可能性を考慮して、試作車2両では追加改造で、量産試作車では新造時から、制御指令信号を中継・相互変換する装置が搭載された。
塗装はいずれもクリーム4号をベースに窓周りと腰板下部、それに幕板上部に赤11号の帯を巻いた新造当時の国鉄急行形気動車標準色であるが、試作車は前面窓周りと側面の客用窓周りのみに赤帯を巻き、客用扉や乗務員扉周辺に赤帯がかかっていない。
キハ91形で試用されたDML30形機関は制式化され、その後のキハ181系などの特急形・急行形・普通形気動車に採用された。
中でもキハ65形は本系列直系の量産車というべき存在であり、在来型急行形気動車との混用を可能とするため、最高速度は低くなり、制動装置も従来の気動車とほぼ同じものに変更され、運転台周りの仕様が継承されず、また全車に強力な大形発電セットが搭載された関係で、自重増大を嫌って安価だが重い自然通風式放熱器も採用されなかったが、これら以外の基本設計の大半はキハ91形量産試作車のそれに依拠している。この系統はその後、汎用気動車としてのキハ66系へ発展し、更に大幅な性能引き下げの上で一般形気動車のキハ40系を派生してゆくこととなる。
これに対し、特急形のキハ181系は固定編成による限定運用で、在来型システムとの混用を考慮せずに済んだがゆえにキハ90系の制御システムを素直に継承し、重い発電セットを先頭車に集約搭載することで中間車に安価な自然通風式放熱器を採用した。急行形として汎用性が求められたキハ65形の構成とは対照的であり、結果的にキハ90系の要素技術は特急形と急行形で異なる2つの流れを形成したことになる。