概要
国鉄時代の1966年から1967年に掛けて大出力エンジンを積んだ強力な気動車の試作車としてにかけて合計12両が製造され、のちキハ91系と称された。エンジンはキハ181系やキハ65、冷却装置はキハ181系、内装はキハ65や12系客車に対し影響を与えた。急行「しなの」「きそ」「のりくら」で使用されたが後述のように特急「しなの」にも使用された。
製造に至る経緯
国鉄の気動車のエンジンの標準型であるDMH17シリーズは1機あたりの出力が180馬力と小さく、更に液体式変速機の特性上勾配区間での効率が低下しやすく、特に20パーミル以上の上り勾配が連続する区間では均衡速度（勾配などによって生じる減速度と車両そのものの加速度が吊り合って加速しなくなる速度）が著しく低下することが判明していた。1953年からキハ10系が製造されたが急勾配が連続する区間を擁する御殿場線・関西本線においてはあまりにも力不足だった。
1950年代はこのDMH17シリーズの開発がようやく軌道に乗りだしたばかりで、シリンダーヘッドの設計変更により10馬力程度の出力向上が精一杯だった。更に液体式変速機も出力200馬力程度まで対応できるTC-2型およびDF115型がようやく量産化に成功した段階で、少なくともこの時点で床下にエンジン、ラジエーター、変速機、燃料タンクを収める必要のある20mクラス量産気動車用としてDMH17＋TC-2およびDF115以外の組み合わせは無いに等しかった。
1954年、「1台のエンジンで出力が足りないのなら2台にすればいいだろ！」と考えた技術者が居たのか、DMH17＋液体式変速機を2セット（更に燃料タンクとラジエーターも2セット）搭載した試作気動車であるキハ44600形（後のキハ50形）を開発。期待通りの性能を得られたものの1エンジン車用のコンポーネントを1両に2セット搭載したために車体長22m、台車中心間長15.7mと大型化してしまい、ポイントの通過に制約が生じた。
そこで量産型のキハ44700形（後のキハ51形）は動力伝達用の推進軸と冷却系統の見直しにより、車体長、台車中心間長の短縮がはかられ、ようやく全国どこでも運用可能な2エンジン気動車が誕生した。
このキハ44700形をベースにしたキハ44800形が誕生。このキハ44800形は後にキハ55形と名を改め、当初は準急、後に急行列車にまで充当されるようになった。さらにこれをベースにしたのがキハ20系やキハ52である。
しかし2エンジン気動車には製造・保守にコストが掛かり過ぎる問題があった。しかも床下のスペースをほとんど走行系機器類に占有され、車体長をどうしても長くする必要があった。更に車体長延長を行っても新たなサービス機器を搭載することなど不可能だった。これは冷房装置、その他サービス電源用発電機を必須とする特急形気動車の開発が難しいことを意味していた。
国鉄工作局もこの問題を早い段階で把握しており、DD13に搭載されていた出力370馬力のDMF31S形エンジンを気動車に転用することを考案。このDMF31Sを水平シリンダーに変更したDMF31HSA形エンジン（出力400馬力）を開発し、これを搭載するキハ60形が誕生した。
エンジン以外にディスクブレーキ、2軸駆動、外吊り扉などの意欲的な新機軸を盛り込んで誕生したキハ60形だが、エンジントラブル（シリンダーの焼きつきなど）が多発、変速ショックの大きさなどから量産には至らなかった。
この時期に開発が急がれていたキハ80はやむを得ずDMH17を水平シリンダーに設計変更し、サービス電源用発電エンジンを搭載する先頭車以外を2エンジンとすることとなった。
キハ60形の失敗で国鉄工作局も大出力エンジンを諦めていたわけではなく、1966年にようやくキハ90系の製造が決定した。
キハ90・91系の誕生
キハ90-1→キハ91-9
出力300馬力のDMF15HZA形エンジンとDW3B形変速機を備え新潟鐵工所で1両が製造され、各種試験後は予備車扱いとなっていた。1971年にエンジン、変速機をキハ91形と同等のものに交換し、形式もキハ91-9となりキハ90形は形式消滅した。ただし台車は種車のものを流用しているので1軸駆動のままである。
キハ91-1
出力500馬力のDML30HSA形エンジンとDW4A形変速機を備える。キハ90形との比較試験の結果、DML30HSAの方が有利であると判断され、量産試作されることとなった。
キハ91-2～8
キハ91-1をプロトタイプとする量産試作車として、1967年7月に7両が新潟鐵工所、富士重工、日本車両の各社で製造された。 DML30HSB形エンジンとDW4B形変速機を備えるが、いずれも1号の改良型。2号～7号の6両は冷房準備車として設計されており、AU13形冷房装置の搭載が簡単に行えるようになっていた。ただしこのスペースには製造時に補助送風機が追加搭載されており、特に低速での高負荷運転が連続する際に冷却力が不足する問題点を工作局がある程度は把握していたのではと推測されている。
8号は来るべき特急型気動車開発のためのデータ取得として屋根上の放熱器間にAU13形冷房装置を搭載した状態で製造され、床下には自車1両分の冷房電源を賄う発電機を搭載している。
キサロ90形
営業運行での試験に備え、1967年7月にキハ91-2～キハ91-8とともに3両が日本車両と新潟鐵工所で製造された一等車。車体は3枚折戸を備える以外はキロ28形に準拠するが、編成全体出力に余力があること、データ取得を目的に付随車として製造された。
3両共にAU13A形分散式冷房装置6基と、床下に4DQ形冷房電源を搭載している。
運用
当初性能試験は千葉気動車区に配属され房総西線(現・内房線)で実施された。のち名古屋機関区に転属し、中央西線・篠ノ井線の急行『しなの』に使用された。この試験で得られたデータを元にキハ65やキハ181系が誕生した。1968年10月に『しなの』がキハ181系特急に格上げされた後も旧『しなの』や『きそこま』『あずみ』などを吸収した急行『きそ』で使用され続けた。またキハ58系とも併結が可能でキハ91系の『きそ』とキハ57・58系の『天竜』が併結されたことがある。
また、キハ181系がキハ90系と同様のトラブルに悩まされたため、特急『しなの』用のキハ181系予備車として、キハ91-8をキハ181系と制御線を合わせた上で、キハ181系の予備車として運用された。キハ181系編成に組み込まれた写真が残っている。
1975年3月に『きそ』の昼行便が全て165系電車化されたため、高山本線の急行『のりくら』1往復に転じて使用された。しかし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ず、保守部品も枯渇したことから1976年10月のダイヤ改正を待たず、同年9月3日のさよなら運転を以って運用を離脱した。
この時車齢10年にも満たなかったキハ91を直ちに廃車するわけには行かず、とりあえず保留車として車籍を残したままにしておき、1978年8月31日に全車両が廃車された。廃車後は名古屋工場で解体処分された
余談
キハ91系の廃車が先送りにされて長期間処分保留になった理由は、その直前にDD54形ディーゼル機関車が故障の頻発を理由に車齢10年未満で廃車処分、車体のほとんどを造り替える大改造をした181系電車が2～3年で老朽・余剰廃車になるなど、国鉄の車両・設備投資に関して予算の無駄遣いと批判されつつある時期であったことが挙げられる。
さらに廃車翌年の1979年には、会計検査院から車齢の低い車両の廃車について問題があると指摘され、この件は国会問題として表面化、また労働組合からも突き上げを食らう羽目になった。
そのため本来は廃車手続きをとるべきデータ収集の完了した振り子試作車である591系電車や、情勢の変化で今後の使用見込みが無くなった大量の余剰機関車や客貨車などを廃車とせず、保留車として長期休車扱いとすることで時間を稼ぎ、問題を先送りする例が多発した。
