蒸気機関車（じょうききかんしゃ）は、蒸気機関を動力とする機関車のことである。
日本では Steam Locomotive の頭文字をとって、SL（エスエル）とも呼ばれる。また、蒸気機関車、または蒸気機関車が牽引する列車のことを、汽車（きしゃ）とも言う[注釈 1][注釈 2]。また、明治時代には蒸気船に対して陸の上を蒸気機関で走ることから、「陸蒸気（おかじょうき）」とも呼んでいた。第二次世界大戦の頃までは汽缶車（きかんしゃ）[注釈 3]という表記も用いられた（「汽缶」はボイラーの意）。
歴史リチャード・トレビシックによる1802年製作の蒸気機関車1829年にレインヒル・トライアルで勝利したジョージ・スチーブンソン製作のロケット号
蒸気機関車の発明以前から鉄道を敷き台車を荷役動物に曳（ひ）かせるものはあった[注釈 4]。馬車鉄道などである。
1802年、リチャード・トレビシックがマーサー・ティドヴィルのペナダレン製鉄所で高圧蒸気機関を台車に載せたものを作った。これが世界初の蒸気機関車とされている。1803年、トレビシックはこの蒸気機関車の特許をサミュエル・ホンフレイに売却。ホンフレイは、トレビシックの蒸気機関車が10トンの鉄を牽引して、とある区間（約16km）を運べるか賭けを行い、1804年2月21日、ペナダレン号が10トンの鉄と5両の客車、それに乗った70人の乗客を4時間5分で輸送することに成功した。
1814年、ジョージ・スチーブンソンがキリングワースで石炭輸送のための実用的な蒸気機関車を設計し「Blucher」（ブリュヘル号）と名付け[注釈 5]、ウェストムーアの自宅裏の作業場で製作し、1814年7月25日に初走行に成功。時速6.4kmで坂を上り30トンの石炭を運ぶことができるものであった。
蒸気機関車の発明・開発に関わった主要な人物
リチャード・トレビシック
1804年にイギリスで蒸気機関車を走行させる。鉄道史上初とされている。
ジョージ・スチーブンソン
公共鉄道で走行する最初の蒸気機関車「ロコモーション号」を制作。さらに「ロケット号」で蒸気機関車の基本設計を確立した。
ロバート・スチーブンソン
ジョージ・スチーブンソンの息子。父とともに蒸気機関車の実用運転に貢献。
マーク・イザムバード・ブルネル
シールド工法でロンドンの地下鉄を建設した。
イザムバード・キングダム・ブルネル
広軌のグレートウエスタン鉄道を建設した。
マシュー・マレー
1812年、軌条の側面がラックレールの軌道を走る機関車サラマンカ号を走らせた。
ナイジェル・グレズリー
グレズリー式連動弁装置を開発。またA3形や蒸気機関車の速度記録を持つマラード号を設計した。
アンドレ・シャプロン
キルシャップの開発やボイラの内的流線化等の、蒸気機関車の科学的改良を初めて行った。のちにリビオ・ダンテ・ポルタら蒸気機関車技術者に多大な影響を与えた。
世界各国の歴史
アメリカ合衆国の鉄道史
イギリスの鉄道史
ドイツの鉄道史
フランスの鉄道史
日本での歴史
ペリー提督が幕府に献上した蒸気車
日本の蒸気機関車史
国産の国鉄蒸気機関車
軽便鉄道・産業鉄道
鉄道省、そして規模の大きな私鉄向けの蒸気機関車は規格化・国産化された。しかし資本力の小さな鉄道向けの小型蒸気機関車までは国は関与しなかった。軽便鉄道、産業鉄道に向けては主にドイツ、コッペル社の小型蒸気機関車が廉価で高品質であったこともあり、第一次世界大戦までは大量に輸入され続けた。
その後は日本車輌製造、雨宮製作所、あるいは深川造船所などのメーカーによって国産化が進み、第二次世界大戦期には立山重工業などの手による規格化設計機関車の量産も実施された。
軍用鉄道
鉄道連隊演習線
蒸気機関車の原理
火室
灰受け皿
水 (ボイラー内部)
煙室
運転室
炭水車
蒸気溜
安全弁
加減弁
煙室内の加熱管寄せとそれに付属した過熱管
ピストン
ブラスト・パイプ
弁装置
ギュレータ・ロッド
ドライブ・フレーム
従輪ポニー台車[注釈 6]
先輪ポニー台車[注釈 6]
ベアリング及び軸箱
板ばね
ブレーキ片
空気ブレーキ・ポンプ
(前部) 中央連結器
汽笛
砂箱
蒸気機関車は湯を沸かして発生した蒸気を動力源として走行する。
ここでは主に世界各国で広く使用されていた、煙管式ボイラーとシリンダーを使用するタイプの蒸気機関車について説明する。
一般的な蒸気機関車を走らせるのに必要な機構としては以下のものがあげられる。
石炭等の燃料を効率よく燃やして、高温の燃焼ガスを作る火室。
火室で発生した燃焼ガスの持つ熱エネルギーを利用して水を沸騰させ、高温高圧の蒸気を作るボイラー。
シリンダーに送る蒸気の方向や量を制御する各種弁装置。
蒸気のエネルギーを往復運動のエネルギーに変えるシリンダー。
シリンダーの往復運動を回転運動に変換し駆動力を発生させるロッドと動輪。
火室切断展示物の火室 (左) 及びボイラー (右)詳細は「火室 (蒸気機関)（英語版） 」を参照
火室は燃料を燃焼して高温のガスを作る場所である。火室の底（床）部分は燃え滓（かす）の灰が落ちるように格子状（いわゆる火格子）に作られている。
蒸気機関車の出力を決める第一の要因は「火室でどれだけ大きな熱エネルギーを発生できるか」であり、その指標として火室の平面積を表す火格子面積が使われる。火格子面積は狭軌が一般的であった日本の場合、明治初期のころの機関車で1m2以下、それ以降順次増大しD51形で3.27m2まで大きくなった[注釈 7]が、火室への燃料供給は人力（シャベル）による投炭であった。さらに大型（日本最大）で戦時の貨物増大に対応して製作されたD52形では火格子面積は3.85m2となったが、これは1人で人力投炭を行うには限界に近い負担を強いたため、第二次世界大戦後、同形式のボイラーを流用して製作されたC62形などと共に、蒸気エンジンで駆動される自動給炭装置(メカニカルストーカー)が装備された。ちなみに標準軌を採用した南満洲鉄道で特急列車「あじあ」を牽引したパシナ型機関車の火格子面積は6.25m2で、ストーカーが標準搭載されていた。また、日本と同じく狭軌を標準としていた南アフリカでは当時黒人労働者を低賃金で利用できたことから、彼らを投炭手として複数乗務させ、交代で全力投炭させる[注釈 8]ことでストーカーを装備せずに火床面積を日本の機関車よりも大きくとるケースが存在した。
なお、給炭の手間や燃費を除いても火床面積は出力に対し十分な火力が得られるならば無理に拡大する必要はなく、特に内火室容積に比べて過剰に大きい場合不完全燃焼が起きやすくなる[注釈 9]。
強力機ではそのボイラー容量に見合った火力を得るため巨大な火室を備えるケースが多いが、高カロリーの良質な燃料を常用できる環境にあった鉄道、例えばイギリスのグレート・ウェスタン鉄道(GWR)の機関車では、4073形（キャッスル級あるいはカースル級とも。軸配置2C、過熱式単式4気筒、狭火室。火格子面積2.73m2）のように、狭火室のままで他社が保有していた同クラスの機関車を上回る高性能を発揮する例[注釈 10]が少なからず存在した[注釈 11]。広火室は、総じて低品質の燃料でより大きな出力を得る手段として利用されていたのである。
機関車の火室には、左右の台枠間に設置したいわゆる狭火室タイプと、より大型の機関車に設置される台枠の幅（軌間）より大きな広火室タイプのものがある。D52等、一部の形式では煙管の手前に燃焼室を備える。
基本的に軌間が同一なら同じ面積の火床面積を得る場合、狭火室より広火室の方が奥行きが短くなる分投炭が楽になるが、奥まで石炭が届く構造ならばむしろ投炭口左右にシャベルを返す手間が省けるので狭火室のほうが楽な場合もある（前方への傾斜を調節し前後幅が3.8mもある火床の前部に石炭が崩れていくようにしたフランスのノール鉄道のスーパーパシフィックや、パリ・オルレアン鉄道の240.700形など）[2]。
石炭が燃える際の炎は、石炭の成分が分解・蒸発しながら空気中の酸素と反応しているため、燃焼ガスの温度は石炭自体から少し離れたところで最高となる。このため火室内には燃焼ガスの流れを迂回（うかい）させて、ボイラーの各煙管の距離を稼いで最高温度の燃焼ガスを導くのと各煙管に均等に燃焼ガスが流れることができるように火室中央部を斜めに通るアーチ管に載せらた邪魔板 (煉瓦（れんが）アーチ)がある。火室の前後左右と上部は缶胴内の水で囲まれており内火室と呼ばれている、前述したアーチ管には、缶胴内の水が入り込むことで、缶胴内の水を循環させる役割を持たせており、ここの部分は外火室と呼ばれボイラーの一部となっている。また、燃焼ガスの火力を高めるために内火室とボイラーの煙管の間に燃焼室を設ける場合がある。これは、火室の邪魔板の上の空間が延長された構造となっている。
蒸気機関車によっては無煙炭より安価な重油を使用して人力を節約して高出力を得るために火室に重油散布装置を設置したものがある。我が国でも重油を併用できる蒸気機関車が多数使用されていた[3]。
自動給炭機詳細は「自動給炭機」を参照
火格子面積の大きい広火室を備えた機関車に装備され、炭水車からスクリュー（送りねじ）で石炭を運転室まで搬送し、蒸気で火室内に飛ばした。
大型機が多く大量の石炭を消費したアメリカでは、1901年には開発され、1905年頃には、普及。1938年には法律で、ボイラーの大きなSLには、搭載が義務付けられた。この通達で、1939年4月15日以降に製造される動輪重量で16万lbs(ポンド)以上の旅客用機関車、同じく17.5万lbs(ポンド)以上の貨物用機関車に、搭載された。
その後、日本でも導入された。
1次大戦後ペンシルバニア鉄道の当時の主力機K4形（火床面積6.5平方m）に大量に採用され、その後火床面積5.5平方m以上の機関車には設置が義務付けられたが、そこまで多量の石炭を消費しないヨーロッパ諸国（＋日本）では手炊きに比べて無駄が多いとされ、フランスでは1938年のフランス国鉄（SNCF）450P形で初採用したものの設置された機関車は少数派で、イギリスは最後まで設置せず、ドイツや日本も二次大戦前には未使用である[4]。
日本では蒸気機関車用の自動給炭機は、1948年（昭和23年）製のC62形、C61形を嚆矢として、戦時形のD52形についても、標準形への装備改造時およびD62形への改造時に装備された。熱量の低い石炭を使用する常磐線用のD51形の一部にも搭載された。
ボイラー「ボイラー」も参照
火室で作られた高温の燃焼ガスは、煙管と呼ばれる数多くの細い管に導かれる。煙管の本数や管のサイズは機関車の出力性能に大きく関与するが、本数は50本から200本、管の直径は50mm前後である。煙管の周囲は水で満たされており、燃焼ガスが通過する際の熱伝導を受けて蒸気が発生する、いわゆるボイラーであり、この部分は缶胴と呼ばれている。ボイラーの材質は鋼鉄が一般的だったが、イギリス等では銅も使用された。発生した蒸気は上部の蒸気溜（じょうきだめ）のドームに一旦溜（た）められ、溜められた蒸気は、蒸気機関車の各種補機類を作動させるために取付けられた配管により分配されるが、走行に使用される蒸気は、加減弁で流量を調整後、乾燥管を通って蒸気中の水分を取り除かれて乾燥された蒸気となり、煙室の主蒸気管を介して走り装置の蒸気室のシリンダーに送られる。
まれに車両限界の都合などでドームがない機関車もあり、こういった車両は缶胴最上部に細いスリットを持つ管を通し、そこから蒸気を採集する。蒸気は気体なので普通にこの穴を通過できるが同じ流体でも粘性のある熱湯は通過しにくいためシリンダー側に湯が入ることはまずないが、勾配区間での使用に関しては当然ドームがある方が安全であり、日本などでは使用されていない[5]。
使用される蒸気は、圧力が10-16kg/cm2で温度は200℃の飽和蒸気を使用する飽和式と、さらに蒸気を加熱して圧力を高めるため、主蒸気管と乾燥管の間に過熱管寄せとそこから煙管の内部まで伸びて過熱管寄せに戻る過熱管を装備して、乾燥管からの蒸気を、過熱管寄せから過熱管を介して通過させることにより、蒸気の温度をさらに300-400℃に高めた過熱蒸気を使用する過熱式とがあり、直径が通常の煙管の2倍以上で過熱管を内蔵した煙管を大煙管と呼んでいる。1910年代以降の大型機関車には過熱蒸気を使用するようになった。
ボイラーの上部には蒸気圧が高くなりすぎたときに蒸気を逃がして圧力を下げる安全弁（万が一の故障を考慮して必ず複数が装備される）や、汽笛が装備されている。またボイラー内の水位を維持するために、水槽から新しい水を注水するための給水ポンプやインゼクタ（注水器）の2つが取付けられており、2つのルートからボイラーに水を送り込む仕組みとなっている。両者とも動力源にボイラーの蒸気を使用しているが、後者は蒸気溜からの配管から直接蒸気が送られる。また、ボイラー缶胴内に装備された注水パイプにより、均一に水を噴射させてボイラー内の水温にムラが出ないようにしている。中・大型機では注水の際に低温の水を注水する事でボイラー内の水が温度低下を起こし蒸気圧が下がるのを防止するため、一般に走行中は給水ポンプから給水温め器（蒸気室のシリンダーや補機類で使用された蒸気を引き通して水に熱を伝える熱交換器）を介してボイラーに注水し、走行中や絶気中はインゼクタを使用する[6]（なおインゼクタは冷水でないと給水できないのでこれだけを使う機関車では給水温め器の必要はない[7]）。
なお、第二次世界大戦中のドイツで設計・製作された貨物用の52形では、軸配置1Eの大型機であったが構造簡素化による生産性の向上を目的としてインゼクタを複数搭載として従来のドイツ国鉄機で標準であった給水ポンプ+給水温め器の搭載が省略され、またイギリスのグレート・ウェスタン鉄道などではやはりインゼクタの複数搭載を標準としていたが、クラック弁と称する特殊な弁を使用することで、ボイラーに注水される水の温度が段階的に引き上げられる、つまり給水温め器を使用するのと同様の効果が得られるような機構を採用していた。
ボイラーの性能を表す指標として、蒸気圧力、飽和式か過熱式か、煙管・大煙管の太さと本数または煙管の総表面積（熱伝導面積）などが使用される。一般にボイラーでは圧力が高いほどエネルギー効率は上昇する（飽和式の場合は水に戻りにくくなるというメリットも生まれる）が、蒸気漏れなどに対する対策に高度な技術が必要となるのでそういった兼ね合いで上限値を定め、蒸気機関車の場合は構造上や運用の都合もあって据え置き式や船舶のボイラーなどと比較すれば低圧の部類に入る。
