国鉄キハ20系気動車
JR九州と鉄道総合技術研究所の協力により、キハ52 47に爪クラッチ式液体変速機を搭載した試験が1989年に行われた。変速機のほか機関も330PSの直噴式のものに交換され、肥薩線と鹿児島本線で現車試験が行われている。試験結果はキハ200系の新製に活用された。
島原鉄道のキハ20形2001 - 2003はキハ20形同型車で、国鉄線直通乗り入れ運転に備えて1958年に製造された。
2001・2002は日本車輌製造製で国鉄の0番台車と同じDT19C・TR49C装着のバス窓車。2003は帝國車輛工業製で200番台車と同じDT22A・TR51A装着の2段上昇窓車。いずれも国鉄車とは異なり便所が設置されていない。塗色は新製時は栗色とクリームの塗り分けに白帯だったが、後に国鉄急行色に準じた塗色の前頭部に3本ひげの入る島鉄急行色となった。なお、2001・2002は1963年に台車換装を受け、2003と同じDT22A・TR51Aを装着した。冷房化改造は1988年から1991年にかけて行われ、2001・2002が1988年5月に機関直結式冷房装置を設置する方式で冷房化され、2003は遅れて1991年4月に冷房化改造された。
2008年初の時点では2003のみが在籍していたが、2008年4月1日に島原外港駅(現在の島原港駅) - 加津佐駅間が廃止されたことにより廃車となった。
キハ52 107は機関防音・防振対策を目的とした新型機関吊り装置の試験車に改造され、1963年4月に盛岡工場で試験が行われた。2基中1基のエンジンを新設計の吊り方式として従来型との比較検討を行い、合わせて車内に寝台を一区画仮設し、振動・騒音の両面から寝台気動車の可能性を探った。また屋根上に自然冷却式放熱器を搭載してキハ90系気動車にデータを提供した。
試験の結果、振動は新しい機関支持装置により実用十分な範囲で抑制可能であったのに対し、騒音は特急型車両のような厚い床や固定窓でなければ抑制不可能であることが判明した。試験終了後は改造前の形態に復元された。
寝台気動車は音振(おとしん)や変速ショックの点で採用には至らず、その後も日本では寝台車に走行用エンジンを搭載した寝台気動車が実現した例はない。2017年運行開始のJR西日本「TWILIGHT EXPRESS 瑞風」用87系気動車やJR東日本「TRAIN SUITE 四季島」用E001形も寝台車は付随車であり、それ以前に北海道内の夜行特急・急行列車で気動車編成に14系寝台客車を組み込んだ例でも寝台車は客車扱いのままであった。
1986年11月のダイヤ改正では東北本線の浅虫温泉駅 - 青森駅間で列車増発が行われ、この区間を運転する列車に八戸機関区のキハ22形3両が充当された。この3両では塗装変更や車内の座席改造が行われ、お買い物列車「うとう号」の愛称が付与された。ウトウは海鳥の名前である。
改造車はキハ22 280・295・343の3両で、車体は白を基調に赤と青の帯を配した専用塗装に変更、車内はクロスシートの一部がロングシートに変更されている。
国鉄時代の1986年に国鉄丸森線を転換した阿武隈急行にキハ22形5両(148・152・159・160・162)が貸し出されている。番号はそのままで塗色のみ塗り替えられ、1988年の電化全通時にJR東日本へ返却された。
1968年に苗穂工場で3両が荷物車兼用(新聞輸送)としてロングシート化され100番台区分へ、1969年に旭川工場で2両がキユニ21形へ改造された。
当初は主に道内各地のほか東北地方などに配置されたが、キハ22形の増備が進むにつれ釧路客貨車区(現・釧路運輸車両所)・苗穂機関区(現・苗穂運転所)・苫小牧機関区(現・苫小牧運転所)・長万部機関区(1993年函館運輸区に統合)・函館機関区(現・函館運輸所)・一ノ関機関区(現・一ノ関運輸区)に集約配置された。
59 - 62・73 - 76は水戸機関区(現・水郡線営業所)に、79・80は千葉気動車区(1975年廃止)に新製配置されてから北海道に転配された。
キハ40形の増備と共に1982年までに運用を離れ、1983年に全車廃車となった。
2010年までJR西日本の大糸線で使用されていたキハ52形3両のうち、キハ52 125の1両がいすみ鉄道に譲渡されている。黄褐色2号+青3号の塗色のまま譲渡され、2010年12月に行われたお披露目を兼ねた撮影会で展示された後、整備とクリーム4号+朱色4号への塗色変更を受け2011年4月29日(昭和の日)から営業に入っている。
当時のいすみ鉄道社長であった鳥塚亮により観光振興への活用を目的に導入されたもので、内外装はなるべく手を加えずキハ52形そのものを楽しめるよう心掛けられた。冷房装置や座席配置は大糸線時代と同様であるが、座席モケットは国鉄時代に使用されていた青系に復元された。大原 - 大多喜間の観光急行列車を中心に運用され、単行運転のほか2013年にJR西日本よりキハ28形キハ28 2346が入線すると同車との併結運転も開始された。
2014年3月からカラーリングが国鉄首都圏色に変更されたが、2019年6月にクラウドファンディングによる調達資金で国鉄一般色に塗り直された。キハ52 125はキハ28 2346とともに日本の営業運転車で水平シリンダのDMH17Hエンジンを搭載する最後の2両のうちの1両となっていたが、キハ28 2346が2023年に営業運転を終了したためキハ52 125がDMH17Hエンジン搭載車で日本最後の営業運転車となった。
このほか、いすみ鉄道では2013年と2014年に、いすみ300型をベースに外観をキハ20系に似せたいすみ350型・キハ20 1303を導入しているが、外観のみの再現でありキハ20系との構造上の共通性はない。
秋田内陸縦貫鉄道には1986年の開業時に国鉄よりキハ22形9両が貸し出されている。番号はそのままで塗色のみ塗り替えられた。旧阿仁合線で鷹ノ巣 - 比立内間の秋田内陸北線に7両(123・129・131・146・156・157・169)、旧角館線で角館 - 松葉間の秋田内陸南線に2両(133・161)が投入されている。
1989年に比立内 - 松葉間の新線が開通して秋田内陸線が全通したが、この全通に先立つ1988年にAN-8800形が投入されてキハ22形は全車がJR東日本に返却された。返却後、156・169の2両が津軽鉄道に譲渡された。
1980年代には国鉄の財務改善策の一環として車内を和式や洋風に改造した車両が登場し、気動車ではキハ58系の改造車が多かったが、キハ20系でも北海道のキハ22形と山陰地区のキハ52形で簡易お座敷車・カーペット車への改造が実施された。形式や番号の変更は行われなかった。
北海道では1984年度に簡易郵便荷物車のキハ22 603が苗穂機関区で改造され、1984年8月5日より運転を開始した。車内はロングシート部分などがカーペット敷きに変更された。1986年にはキハ22 93もカーペット敷きに改造されている。
山陰地区では木次線の簡易郵便荷物車キハ52 651が車内半分を畳敷きとした簡易お座敷車に改造され、1985年7月13日に運用を開始した。
キハ20形14両、キハ52形27両が承継された。
キハ20形は高千穂線用として南延岡運転区に配置されていた11両と、都城運転区の1両、鹿児島運転所の2両が承継された。南延岡運転区には全国で唯一JRに承継された0番台(キハ20 41)が配置されていた。高千穂線の第3セクター化などに伴い、1990年に全車が廃車となった。
キハ52形は承継当初は長崎運転所に1両、大分運転所に7両、熊本運転所に2両、人吉運転区に4両、鹿児島運転所に13両配置された。その後転属や廃車が進み、最終的には筑豊篠栗鉄道事業部に2両(キハ52 132・134)が保留車として残っていたが、2002年に廃車となり消滅した。
大糸線非電化区間の糸魚川 - 南小谷間では国鉄時代の1961年にキハ52形が投入されたが、JR化直後にキハ58系での運用に変更されていた。1992年に越美北線へのキハ120形投入で捻出された冷房付きワンマン車のキハ52 115・116・124・125・156、米子地区の木次線用非冷房ワンマン車のキハ52 140の計6両が富山運転所に転属し、大糸線にキハ52形が再投入された。
1992年のキハ52形転入時に南小谷以北でワンマン運転が開始されたが、JR東日本管内の白馬・信濃大町まで乗り入れる運用は引き続きツーマンで運転された。1995年7月の豪雨水害(7.11水害)で南小谷 - 小滝間が長期不通となり、1998年長野オリンピック前年の1997年に運転を再開したが、その際にJR東日本管内への乗り入れは廃止されている。
1999年に非冷房車のキハ52 140が、続いて2002年にキハ52 124が、2003年にはキハ52 116がそれぞれ廃車となり、総数は3両に減少した。最後まで在籍していた3両は次の通り。3両ともエンジンは製造当時のDMH17系のままであったが、越美北線時代に冷房設置の取り付け・便所撤去・ワンマン化改造工事がされていた。
キハ52 115:1965年(昭和40年)製造
キハ52 125:1965年(昭和40年)製造
キハ52 156:1966年(昭和41年)製造
四国では予讃本線、土讃本線、徳島本線、予土線などで運用された。