釜石線や山田線の急行「陸中」で使用されていたキハ58系が陳腐化したことから、JR東日本はキハ110系急行型気動車を1990年に試作しました。
車体は全長が20,000mm、幅が2,800mmの鋼製両運転台車で、床面高さを低くしたことにより出入口のステップの段差を小さくしています。前面にはパイプ式排障器が取り付けられました。側扉は半自動式プラグドアで押しボタンによる自動開閉となっています。側窓も固定式です。連結器は密着式とし、自動解結装置が取り付けられています。
台車はDT58/TR242軽量ボルスタレス空気バネ台車で、動台車と付随台車をそれぞれ備えています。なお、動台車は2軸駆動タイプとなっています。軸距は2100mmとしています。ブレーキシステムは電気指令式空気ブレーキが採用されています。
機関は高速化を図るため出力420PSのDMF13HZAまたはDMF14HZAを採用しました。変速機は充排油式の変速1段、直結（流体継手）1段式のフォイト製T211rzを採用しました。
車内はすべてリクライニングシートで、シートピッチは940mmとなっています。また、和式トイレが設置されています。冷房装置は走行機関直結タイプのAU26J-Aです。
1991年には量産車が登場しました。液体変速機が湿式多板クラッチのDW14A-Bに、動台車が液体変速機の変更に伴いDT58Aに変更されています。
また、片運転台車のキハ111形0番台とキハ112形0番台が登場しました。車内はすべてリクライニングシートで、シートピッチは940mmとなっています。また、キハ111形には和式トイレが設置されています。冷房装置は走行機関直結タイプのAU26J-Aです。
なお、試作車のフォイト製液体変速機は、量産車と同じ湿式多板クラッチのDW14A-Bに変更されています。また、先頭車間転落防止幌の取り付け改造が実施されています。
キハ110形0番台は5両、キハ111形0番台、キハ112形0番台はそれぞれ3両が製造され、釜石線の快速「はまゆり」に使用されています。
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