カートレイン (Car Train) とは、自動車とそれを運転・乗車していた旅客をともに1本の列車で運送するものである。言わば、カーフェリーの列車版である。運転実績があるものは以下の通りである。同様に、一つの列車で自動車と運転者・同乗者をともに輸送するものとしては、アムトラックの「オートトレイン」 () がある。1985年7月27日から日本国有鉄道が乗用車を有蓋貨車に積載する形で汐留駅 - 東小倉駅間を運行した「カートレイン」（後の「カートレイン九州」）が日本における端緒である。前売りのみの全席指定席で、途中乗車・下車は不可。同年3月のダイヤ改正で一部余剰となった100 km/h走行対応の有蓋車と客車を使用して運転開始された。自動車輸送用の貨車であるク5000形は100 km/h走行に対応していないこと、覆いが無いため自動車を破損・汚損する危険性が高いことから使用されなかった。1990年代に主に東京・名古屋 - 広島・九州間、東京 - 北海道間、北海道相互で運行されたが、その後全て運行が終了しており、現在日本では運行されていない。なお、これらは4輪の自動車を輸送したが、これとは別にオートバイ（二輪車）とその運転手を対象とした「モトとレール」・「MOTOトレイン」も運行された。それについては、下記を参照のこと。形態としては、自動車・オートバイを手荷物（チッキ）扱いとして運行された。出発駅ホームでは貨物車の横に鉄製パレットが並べられており、乗客が自走にてパレット上に自動車を載せ、係員が安全のため輪止めを掛けてフォークリフトで貨物車へ積み下ろしを行う。到着駅ではすぐさま順番にフォークリフトでパレットを降ろす。自動車の場合、燃料タンク内の燃料を走行に支障のない最小限の量とすること や、車検証の車両寸法に含まれない装備がある場合はそれらを取り外した上で積載していたが、LPG自動車は積載できなかった。オートバイの場合、燃料を抜いてから積み込むという方法を採った。カートレインは当初は利用があったものの、末期には利用が減少していった。カートレインの衰退理由としては、積み込みの関係から、搭載できる自動車は全長4,670 mm、車幅1,700 mm、車高1,985 mmまでという制約があり、5ナンバーでも幅や長さがこれを超えるため搭載できないものが少なくなかったということが挙げられる。また、食堂車の連結が無く、車掌による乗車記念品以外では弁当・菓子類などの車内販売も実施されなかったため、駅弁などの購入も発着駅もしくは指定された駅（約5分停車）でしかできなかった。運行側の事情もあった。国鉄分割民営化時点の取り決めで、複数会社にまたがって運行されるカートレインは、自動車の積み降ろし作業の手数料として両端の会社がまず2割ずつ運賃・料金の分配を受け、残りを運行される区間の営業キロに比例して各社に分配することになっていた。しかし「カートレイン九州」は、九州に入ってすぐの東小倉駅までの運転であり、九州旅客鉄道（JR九州）は営業キロに比例して受け取る分の運賃・料金が極端に少なくなっていた。このためJR九州が運転を継続する意欲が無かったとされる。変わり種として、北海道への二輪車によるツーリング客の輸送を行う列車として、大阪駅 - 函館駅間および上野駅 - 函館駅間に、二輪車および運転手（ライダー）を輸送する列車も運行され、前者は「モトとレール」後者は「MOTOトレイン」と称された。ただしこれらは純粋な臨時列車ではなく、定期列車に専用車両を連結する方式を採用した。安全確保のため乗車前に二輪車のガソリンを抜かなければならない（大阪・上野・函館の各駅最寄りのガソリンスタンドにて抜き取るよう指示されていた）不便さはあったが、長距離フェリーに比べて時間が短いことや、大都市主要駅から直接出発する利便性などから人気を博した。1986年から1998年の13年間、夏季のみ運行された。なお、二輪車の積み込みを行う関係で、途中駅での乗降は一切不可であった。積載できる二輪車は「モトとレール」は長さ2200mm、幅855mm、高さ1800mmまででなおかつ排気量125cc以上のもので、「MOTOトレイン」は長さ2300mm、幅855mm、高さ1800mmまででなおかつ排気量125cc超の二輪車がそれぞれ積載できたが、いずれの列車もサイドカー付きとスクータータイプは積載できなかった。料金にはオートバイの運搬費の他にも、運賃・特急料金・急行料金・B寝台料金が含まれており、ライダー1人のみでの利用はもちろんのこと、タンデムツーリング（2人乗り）での利用もできた。日本では、青函トンネルの開通前に設置された利用方法をめぐる審議会において、1985年にカートレインの導入を求める答申が出ているが、2007年現在まで具体化する目処は全く立っていない。この原因としては、主要なものとして以下の点があげられている。しかし、北海道新幹線着工に伴い、JR北海道は貨物のダイヤ対策としてトレイン・オン・トレインの開発に着手しており、これを応用したカートレイン構想を明らかにした。ヨーロッパでは、アルプス越えなど長大道路トンネルを掘るのが困難な区間において、貨車に自動車をそのまま搭載し輸送するものを指す。特に交通の要衝スイスでは、排ガスの増加など環境面への配慮から、政府やEUからの資金的な援助によりと呼ばれるカートレインが多く設定されている。鉄道による自動車の輸送は、英仏海峡トンネルでも導入された（ユーロトンネルシャトル）。英仏海峡トンネルの場合、当初から大型トラックやバスを輸送できるようにトンネルが大きく設計されており、恒常的に鉄道による自動車（乗用車、トラック、バス、二輪車）の輸送が行われ、自動車を貨車へ乗り付けた後、運転者や同乗者は別の客車へ乗車することになる。また日本では全廃された寝台車と自動車運搬用貨車を併結し長距離を走行するカートレインも夏のバカンスシーズンを中心に多数運転されている。 を参照のこと。アメリカ合衆国では、によって1971年からオートトレインの運行が開始されていたが、同社の経営破綻により1981年に運行停止に追い込まれている。その後1983年からアムトラックによってバージニア州ロートン（ワシントンD.C.近郊）-フロリダ州サンフォード（オーランド近郊）にが運行されている。台湾では、樹林駅 - 花蓮駅間、宜蘭駅 - 花蓮駅間などにおいて、週末（金曜日、土曜日、日曜日）のみカートレインが運行されている。

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