여객차나 화차를 끌고 다니는 철도 차량 기관차

화물을 실은 화차나 여객을 실은 객차를 뜨는 데 널리 사용된다.

 

선로 위에서 열차를 끄는 차량

기관차가 끄는 열차에는 여객을 실어 나르는 객차, 화물을 실어 나르는 화차가 있다. 초기 기관차의 무게는 2.5~5.5톤(t) 정도여서 가벼운 열차 및 량만을 끌거나 밀었다. 오늘날의 기관차 무게는 640t 이상으로 화물을 실은 화차 200량 이상을 한 번에 끌 수 있다. 기관차는 동력원에 따라 크게 디젤기관차, 전기기관차, 증기기관차로 나뉜다. 또 가스터빈을 이용하는 기관차도 있다. 1830년대에서 1950년대까지는 증기기관차를 가장 많이 사용했지만, 오늘날에는 디젤기관차와 전기기관차를 많이 사용한다. 하지만 석탄이 풍부한 나라에서는 아직도 증기관차를 사용하기도 한다. 디젤기관차는 동력을 만드는 발전장치를 장착하고 있으므로 외부에서 동력을 공급받지 않고 철로만 있다면 어디서든 달릴 수 있다. 또 기름을 한 번 채우면 정비하지 않고도 장거리를 운행할 수 있다. 또한 정지와 출발을 빨리 할 수 있고 증기기관차보다 빠른 속도를 낼 수 있으며, 연료 효율이 높고 정비를 자주 하지 않아도 돼 유지비도 적게 든다. 디젤기관차는 동력을 만드는 기관차 1~4량을 연결하여 사용하는데, 연결된 기관차들이 내는 힘을 합해서 디젤기관차가 끄는 힘을 마력(HP)으로 나타낸다. 디젤기관차는 동력을 바꿔서 전달하는 방식에 따라 디젤-전기식, 디젤-유압식, 디젤-기계식의 세 종류가 있다. 디젤-전기식 기관차는 가장 일반적인 기관차로 디젤기관이 전류를 만드는 발전기를 작동시킨다. 전류는 견인전동기로 흘러 기관차의 바퀴를 회전시킨다. 디젤-전기식 기관차는 대부분 직류(전류의 크기와 방향이 시간에 따라 변화하지 않는 일정한 전류)를 만드는 발전기를 사용하지만 오늘날의 대형 디젤기관차에는 1초에 여러 번 방향이 바뀌는 교류(시간에 따라 전류의 크기와 방향이 주기적으로 바뀌어 흐르는 전류)를 만드는 발전기가 장착된 것도 있다. 디젤기관차에 사용되는 견인전동기는 직류로만 작동된다. 따라서 교류 발전기가 장착된 기관차에서는 실리콘 정류기로 교류를 직류로 바꾸어 이용한다. 디젤-유압식 기관차는 디젤기관이 발전기 대신 '토크 변환기'를 작동시킨다. 토크 변환기는 유체의 압력을 이용해서 디젤기관의 동력을 전달하고 조정하는 장치인데, 펌프와 터빈으로 이루어져 있다. 터빈은 유체가 갖고 있는 에너지를 일하는데 알맞은 힘으로 바꾸어주는 기계인데, 디젤기관이 펌프를 회전시키면 변환기 내의 유체가 터빈 쪽으로 흐르면서 터빈 날개를 밀어 터빈을 회전시키고 유체는 펌프 쪽으로 되돌아온다. 이때 터빈은 기어와 축장치를 통해 바퀴를 작동시킨다. 디젤-유압식 기관차는 디젤-전기식 기관차만큼 많이 사용되지는 않지만, 처음 개발한 독일을 비롯해 몇 나라에서는 널리 사용되고 있다. 디젤-기계식 기관차는 자동차와 마찬가지로 클러치, 기어, 축장치를 이용해서 디젤기관의 동력을 전달한다. 클러치는 디젤기관과 변속기를 연결하고, 기어와 축으로 동력을 전달해 바퀴를 돌린다. 디젤-기관차는 다른 종류에 비해 적은 동력을 전달하기 때문에 작은 열차에 사용된다. 전기기관차는 디젤기관차와는 달리 자체 동력을 만들 수 없으므로 중앙 발전소에서 전력을 공급한다. 발전소에서는 석탄, 천연가스, 수력에너지, 원자력 에너지, 또는 석유를 사용해 전기를 생산한다. 이렇게 만든 교류 전류는 트롤리선을 통해 기관차로 전달되는데, 트롤리선을 선로에서 일정 높이에 매달리기 위해 현수선을 사용한다. 이 둘을 함께 전차선(또는 커티너리. 트롤리선을 매다는 케이블)이라 부른다. 기관차의 지붕에 장착된 팬터그래퍼(전차 또는 전기기관차의 지붕 위에 달아 전선에서 전기를 끌어들이는 장치)로 전차에서 전류를 받는다. 그리고 변압기를 통해 기관차의 동체로 전류가 전달된다. 변압기는 전동기에 알맞게 전압을 난춘 뒤 교류 견인전동기로 전류를 공급한다. 아니면 정류한 뒤 직류 견인전동기로 보낸다. 디젤기관차와 같이 전기기관차도 두 량 이상을 연결해 운행할 수 있다. 전기기관차는 중국, 일본, 유럽 등에서 많이 운행한다. 대표적으로 우리나라 케이티엑스, 프랑스 테제베, 일본 신칸센, 독일 이체, 스웨덴, 미국 아셀라가 있다. 전기 기관차용 철로는 건설하고 유지하는 데 비용이 많이 들기 때문에 전 세계적으로 정부 지원을 받아 대부분 완성하고 유지한다. 증기기관차는 화실에서 석탄이나 석유를 태워 열을 만든다. 화실에서 만들어진 열은 보일러 안의 물을 증기로 바꾸어 실린더로 보낸다. 이 증기압은 실린더의 피스톤을 움직인다. 실린더 내에서 왕복 운동하는 피스톤의 에너지는 바퀴와 연결된 연결봉으로 전달되어 바퀴를 돌린다. 따라서 증기기관차에는 석탄과 물을 싣는 탄수차라는 부속 열차가 붙어 있다.

 

1804년에 만들어진 최초의 증기기관차

최초의 증기기관차는 영국의 발명가 리처드 트레비식이 1804년에 만들었다. 그 후에도 영국의 광산 기술자들이 기관차를 만들었지만, 최초의 실용적인 기관차는 1829년 스티븐이 만든 '로켓호'였다. 로켓호는 송풍 파이프와 관이 많은 보일러를 사용한 증기기관차이다. 1800년대에는 세계 여러 나라에서 철도를 건설했다. 이후 증기기관차는 유능한 기술자들의 노력으로 열차를 끄는 힘이 커졌고 속도가 빨라졌으며, 효율도 더욱 좋아졌다. 증기기관차의 커다란 바퀴는 빠른 속도를 내게 하지만 끄는 힘은 약했다. 이후 기술자들이 끄는 힘을 크게 하려고 증기기관차에 작은 바퀴도 함께 사용했는데, 바퀴의 크기가 줄어들면 더 큰 보일러를 사용할 수 있게 되었다. 실용적인 전기기관차는 1879년 최초로 만들어졌고, 1880년에는 토머스 에디슨이 자신이 만든 전기기관차를 시험했다. 오늘날의 지하철에는 전기기관차만 사용한다. 최초의 디젤기관차는 1912년에 운행되었으며, 제2차 세계대전(1939~1945) 이후부터 디젤기관차가 널리 이용되어 왔다. 오늘날 프랑스나 일본의 전기기관차는 290km/h의 속도를 자랑한다. 연구진은 디젤기관차와 전기기관차의 안정성, 신뢰성, 경제성을 향상하기 위해 계속 노력하고 있다.