thumb|300px|right|8620形の形式図、ねじ式連結器付、石炭搭載量6 tの455 ft3形炭水車付の機体 8620形は、日本国有鉄道（国鉄）の前身である鉄道院が導入した、旅客列車牽引用テンダー式蒸気機関車である。
導入の経緯 明治末期の1911-13年に急行列車牽引用の大型旅客列車用機としてイギリス・アメリカ・プロイセン（当時）の各国から、車軸配置2Cの8700形・8800形・8850形および、2C1の8900形が輸入され、1912年6月にはこれらを使用して新橋 - 下関間に特別急行が運行されるようになった。一方、当時の運輸状況ではこれらより若干小型で急行列車も牽引可能な旅客用機の需用が多かったため『鉄道技術発達史 第4篇』 p.178、九州・関西・東北・奥羽の各線でも使用できる『機関車の系譜図 4』 p.492機体として、8800形などを参考に日本の蒸気機関車国産化技術の確立を目的として本項で記述する8620形が導入された。汎用性を重視して、将来輸送量が増加した際には地方線区に転用することを考慮して設計された。
ボイラーは、ベースとなった8800形などでは80.5 km/h（50 mph）での連続走行に対応した連続蒸発量を確保できる大型のものを搭載していたが、本形式の運行が想定された二級幹線の急行列車は連続走行速度64.4 - 72.4 km/h（40 - 45 mph）であり、ボイラー容量は8800形などにおける連続蒸気発生量の8割程度のもので十分とされたため、8800形などより二回り小型のボイラーを搭載することとした。
一方、走行装置は動輪直径を8800形と同じ1600 mm、シリンダー直径も同形式と同じ470 mmとして急行旅客用に使用できるようにしている『鉄道技術発達史 第4篇』 p.178。また、十分な粘着重量を確保するとともに、線形が悪く勾配も多い二級幹線での運用に対応するため『国鉄蒸気機関車史』 p.26動軸を3軸とした一方で、当時の旅客用機は先台車を軌道に対する追従性を考慮して2軸ボギー式とすることが通例となっていたため、ボイラーの小型化による重量減への対応として本形式では車軸配置2Cの8800形から先輪を1軸少なくして車軸配置を1Cとしながら、1軸の先輪と第1動輪とを特殊な台車に装備して2軸先台車と同様の作用をさせていることが特徴となっている。
大正期における機関車の設計は、主要寸法を定める概要設計は鉄道院・鉄道省で行われ、詳細設計は鉄道省で実施する場合とメーカーで実施する場合の両方があった。例えば6700形やC51形は鉄道院・鉄道省で、9580形や9600形はメーカーで詳細設計を行っている。一方で本形式はD50形などとともに一部を鉄道省、一部メーカーで行う方式としており『鉄道技術発達史 第4篇』 p.163、鉄道省の津田鋳雄、汽車製造会社の池村富三郎が詳細設計を担当した。
また、製造は当初1913-19年度発注分は汽車製造会社が担当しており（一方で9600形は1917年度に汽車製造会社に発注されるまでは川崎造船所のみが製造している『国鉄蒸気機関車史』 p.23）、その後1920年度発注分から日立製作所と川崎造船所が、1921年度発注分から日本車輌製造が、1924年度発注分から三菱造船がそれぞれ製造に参加して1925年度までに計670両、間をあけて1928年度に2両が発注されている『国鉄蒸気機関車史』 p.32。なお、このうちの日立製作所笠戸工場と三菱造船神戸造船所は第一次世界大戦終戦に伴う造船不況を契機に新たに機関車の製造に参入したものであり、日立製作所笠戸工場は当初鉄道省からの機関車の発注を得られなかったため、8620形を自主製造して製造能力を示してその後の受注につなげており『鉄道技術発達史 第4篇』 p.70、神戸造船所は三菱鉱業美唄鉄道の2-4号機の製造実績があり、空気ブレーキ装置の製造所でもあったため受注を得ることとなっている『鉄道技術発達史 第4篇』 p.71。
概要 ボイラー ボイラーはベースとなった8800形のものより二回りほど小さいもので、火格子面積は12.5%縮小した1.63 m2（17.5 m2）、内径は76 mm（3 in）小さい1245 mm（4ft 1 in）、煙管長は610 mm（2 ft）短い3692 mm（13 ft）となっており『国鉄蒸気機関車史』 p.28、全伝熱面積116.3 m3、過熱面積27.6 m2、使用圧力は8800形と同一の12.7kgf/cm2（180 lbf/in2）である。また、ボイラー中心高は8850形と同一の2438 mm（8 ft）で、機関車重心高さは8850形の1521 mmや9600形の1532 mmを超える1557 mmである『鉄道技術発達史 第4篇』 p.285ほか、煙突中心がシリンダー中心より168 mm（72-5/8 in）前方にずれている 『8620形機関車明細図』 p.15。
本形式の火室の火格子面積/火室容積比は、石炭中の炭素および揮発性成分の両方が十分に燃焼されるため適切とされる1.6 - 2.0の範囲内の1.66となっているが、鉄道省（国鉄）の国産過熱式蒸気機関車で火格子面積/火室容積比がこの範囲の火室を有するのは本形式のほか、C50形（1.65）、D52形（燃焼室甲で1.81、燃焼室乙では1.79）および同形式のボイラーを使用するD62形、C62形のみで、その他の機体は適切値を下回っている『鉄道技術発達史 第4篇』 p.304-306。
また、本形式は8800形などに引き続きシュミット式の過熱器を装備しているが、過熱蒸気の温度確保のため全伝熱面積に占める過熱面積の割合を9600形などまでの機関車より大きくしたことが特徴となっている『鉄道技術発達史 第4篇』 p.178。シュミット式過熱器の開発元であるプロイセンのシュミット過熱蒸気会社では、適切な温度の過熱蒸気を得るために大煙管外径、小煙管外径、過熱管外径の組み合わせごとに、小煙管と大煙管の本数の推奨比を定めており、本形式の場合では7.54であった。8800形および8850形では推奨値5.28のところ、実機はそれぞれ6.43、6.29と大煙管の本数が若干少ない程度であったが、過熱蒸気の温度が通常では300 °Cを超えることができず、当初この原因について、狭火室で内火室が細長いため火室における伝熱が大きく、過熱管における伝熱がその分小さいためと考えられていた。しかし、広火室で小煙管本数/大煙管本数比もシュミット社の推奨値を超えていた9600形、4110 形でも300 °C以上の蒸気を得ることができなかった『鉄道技術発達史 第4篇』 p.293-294。そこで本形式では大煙管をシュミット社推奨の14本から18本『国鉄蒸気機関車史』 p.27、煙管本数/大煙管本数比をシュミット社推奨値の7.54から5.06と過熱面積を拡大して、300 °Cを超える過熱蒸気を得ることができるようになり、1915年の試運転では340 °Cに達した『国鉄蒸気機関車史』 p.29。本形式の実績を受けて、鉄道省では過熱面積/全蒸発面積比を重視、本形式の0.310を参考に、約0.3程度を目指す事としてボイラー設計を行い、例えば9600形も9658号機以降は大煙管本数を増やすことでこの値を0.264としている『鉄道技術発達史 第4篇』 p.294。
1914年度発注の8644号機以降『国鉄蒸気機関車史』 p.31（8672号機以降とする文献もある 『形式別 国鉄の蒸気機関車IV』 p.394「”形式別・国鉄の機関車”補遺」『形式別 国鉄の蒸気機関車別冊 国鉄軽便線の機関車』 p.iii。）は煙室の通風改良のための設計変更が実施され、排気ノズルの先端が368 mm（14-1/2 in）を下げるとともに煙突内径を51 mm（2 in）拡大して先端部の内径が406 mm（16 in）から457 mm（18 in）と太くなっており『機関車の系譜図 4』 p.493（9600形でも1914年発注の9652号機項に同様の設計変更が実施されている『国鉄蒸気機関車史』 p.22。）、これはプロイセン王国のG・シュトラールの理論に基づき6700形で施行した結果が良好であったため、採用が拡大されたものである『機関車の系譜図 4』 p.495。また、当初は煙室内の過熱装置前部に過熱機ダンパーを装備して惰行中における過熱管の過熱や力行中における過熱蒸気の温度過上昇を防止していたが、前述のとおり過熱温度が300 °Cを超える程度であったため、1922年頃の製造分よりこれを廃止している。
走行装置 車軸配置は1C（日本国鉄式）、2-6-0（ホワイト式）もしくは通称モーガルと呼ばれる配列で、当時の旅客用機関車で一般的であった2軸ボギー式台車を本形式では先輪と第1動輪を一体化した「省式心向キ台車」に置換えて曲線通過性能を良くしており、その最小半径は80 mで、後年のローカル線用タンク式蒸気機関車であるC12形と同等である。また、走行装置の基本的な寸法は8800形をベースとしており、動輪直径、動輪軸間距離、シリンダー径×行程、ピストン弁径、シリンダー中心 - ピストン弁中心間距離、左右シリンダー中心間距離が同一となっている。このため、シリンダー引張力（シリンダー平均有効圧をボイラー圧力の85 %とした場合の引張力『新訂増補 機関車の構造及理論 下巻』 p.162）も同一の91.2 kNであるが、ボイラーは小型化となった一方で先輪が1軸少なくなったため、動輪上重量が39.76 t（1931年形式図で41.46tに修正『機関車の系譜図 4』 p.498）と8800形の36.77 tを上回り、粘着牽引力（動輪周上重量に粘着係数（鉄道省では0.25に設定）を乗じた数値）は101.6 kNとなっている『新訂増補 機関車の構造及理論 下巻』 p.245。
この結果、動輪周上重量とシリンダー引張力の比率である粘着率が4.5となり『国鉄蒸気機関車史』 p.33、これは後継のC50形は4.3 - 4.5と同等であるが、8620および9600の代替機のC58形の3.2 - 3.3『国鉄蒸気機関車史』 p.197や勾配線区用の4110形の4.3『国鉄蒸気機関車史』.159を上回っている。、本来の旅客用高速機という用途から外された後は勾配のあるローカル線での仕業や、入換仕業で力を発揮した。が、現役時代には引き出し時や坂道で空転を繰り返しながら走行する様がたびたび目撃されている。ただし、これはシリンダ力が小さいことの表れでもあり、勾配線ではシリンダ力の不足により空転も起こさずに自然停車する様な状態だった。後継のC58は低下した粘着係数を撒砂などで補い、シリンダ力を強く持たせ勾配で止まらない設計となっている。 そのため、勾配や曲線、トンネルなどが連続している難所では性能が足りず苦闘する一幕もあり、こうした線区ではパワーに勝るC58が乗員と乗客の双方から歓迎された。終戦直後の混乱期には老朽化と戦中の酷使が深刻化した4110形の補充として、米沢機関区から1両の8620形と9600形が試用されたが、勾配区間(33.3パーミル)では空転が多く、4110形が最も安定していた河原匡喜『連合軍専用列車の時代 : 占領下の鉄道史探索』 光人社〈光人社NF文庫〉、2000年5月、232頁。。。。
台枠は板台枠『鉄道技術発達史 第4篇』 p.178で、25 mm（1 in）厚鋼板製のフレームを機関車先端部 - 第1動輪部分間は857 mm（33-3/4 in）間隔、第2動輪部分 - 機関車後端部までは908 mm（35-3/4 in）間隔で左右に配置して、これを鋼板と山形鋼を組立てた前端梁、後端梁、デッキプレートなどや鋳鋼製のボイラー台などで箱型に組立てて『8620形機関車明細図』 p.64-71、そこに鋼板と山形鋼を組立てた歩み板や、鋳鋼製のシリンダーブロック、軸箱守、加減リンク受、逆転軸受、釣合梁受などを取付けたもので、第1動輪が横動するためにこの部分より前部が51 mm（2 in）狭くなっていることが特徴である。
先台車は、現在のドイツ、オーストリアとイタリアに例があった、、ツァラ式に着想を得て島安次郎が考案して主要部分の設計を行い、詳細設計を汽車会社で実施したもの『鉄道技術発達史 第4篇』 p.178で、当初「島式」、後に「省形心向キ台車」と呼ばれた。構造は先台車の軸箱の左右と、第1動輪の中間軸箱の前部中央に設けられたピボットの間を山形鋼2本で三角形に結んで台車枠を構成し、この台車枠中央部とシリンダーブロック後部の間にコイルばねを内蔵した復元ばね箱を設置し、動軸の中間軸箱と復元ばね箱の間に復元心向棒を渡したものとなっており『8620形機関車明細図』 p.90-99、復元ばね箱を仮想的なピボットとして、中間軸箱部を支点とする先輪の転向と第1動輪の32 mm（1-1/4 in）の左右動および、復元ばね箱自体の左右動を合わせて2軸ボギー台車と類似の動作をするものとなっている。また、1916年度発注の18628号機以降は先輪の軸箱上部にリンク式の復元装置を設けて半径122 m（400 ft）の曲線上での復元力を0.84 tから約2.2 tに強化するとともに、軸ばねからの荷重を先輪軸箱の左右に直接掛けていたものを釣合梁と釣リンクを介して軸箱上部中央の1点に掛ける方式に変更しており、従来の機体も同様の方式に改造をしている『国鉄蒸気機関車史』 p.31-32。このほか、先輪径は当初直径970 mm（38 in）のものを使用していたが『8620形機関車明細図』 p.2、その後C51形と共通の940 mmのものに変更されており『8620形機関車明細図』 p.138-139、先台車軸箱もこれに対応した2種が用意されている『8620形機関車明細図』 p.92-95。
この先台車は設計側では構造が簡単で曲線通過性能も良いとされた一方で検修側の評判は必ずしも良くなかったとされ、東京鉄道局の実績では、第1動輪のタイヤフランジの10000 kmあたりの平均摩耗量が、本形式の後継で車軸配置が同じ1CのC50形は0.49 mmであったのに対し本形式は1.22 mmと約2.5倍であった『鉄道技術発達史 第4篇』 p.287ほか、、本形式以外での採用例はない後継形式のC50形は、島式先台車の代わりに1軸先台車としては同形式のみの採用となるエコノミー式先台車としたが、この方式は曲線通過性能が低く、運用側に不評であり、旧式な8620形の方が長く使用された。。
ブレーキ装置 ブレーキ装置は当初自動真空ブレーキ、手ブレーキを装備しており、運転室下部にブレーキ用のピストン2基を搭載し、基礎ブレーキ装置は動輪3軸に作用する片押式の踏面ブレーキとなっている。また、制輪子は制輪子吊に直接取付けられる甲種乙種は制輪子に制輪子ホルダーが付き、そこに制輪子を取付ける。のうち、甲-9号を使用する『鉄道技術発達史 第4篇』 p.420。
1919年に鉄道省は全車両に空気ブレーキを採用することを決定し、1921年から1931年上半期にかけて全車両が空気ブレーキ化されており『鉄道技術発達史 第4篇』 p.106、本形式も1923年度発注の68661号機以降は空気ブレーキを装備して製造された一方でそれまでの機体も順次真空ブレーキから空気ブレーキに改造されている。蒸気機関車用の空気ブレーキはアメリカのウェスティングハウス・エア・ブレーキが開発したET6を採用しており、この方式はH6自動ブレーキ弁、S6単独ブレーキ弁、6番分配弁、C6減圧弁、B6給気弁などで構成されるもので、その特徴は以下のとおりとなっている『鉄道技術発達史 第4篇』 p.115。 構造が簡単で取付および保守が容易。 非常ブレーキが使用可能。 ブレーキ弁に連動して元空気ダメ圧力を2段階に設定可能。 後部補助機関車もしくは無火回送時においても客車・貨車と同様にブレーキが作用する。
連結器
連結器は当初、基本的にはねじ式連結器を装備していたが、北海道においては、道内最初の鉄道である官営幌内鉄道が1形（後の鉄道院7100形）に当初より並形自動連結器を使用して以降これを標準としていたため、本形式も1917年に最初に北海道に配置された18649号機以降がこれを装備していた。なお、設置高さが後の鉄道省の自動連結器より低い660 mmであった『鉄道技術発達史 第4篇』 p.99。
1919年に鉄道省は全車両のねじ式連結器を交換する方針を決定し『鉄道技術発達史 第4篇』 p.96、まず、北海道内の車両の連結器高さを878 mmに変更することとして、1924年8月13-17日に一斉に工事を実施している『鉄道技術発達史 第4篇』 p.99-100。続いて北海道以外の車両については、九州以外は1925年7月16-17 日に 、九州は7月19-20 日に一斉にねじ式連結器から自動連結器への交換を実施している『鉄道技術発達史 第4篇』 p.101。本形式においてもこれに伴って連結器の交換を実施しているほか、1925年発注の78694号機以降は自動連結器を装備して製造された。なお、当初は解放テコが連結器右側のみに設けられるものであったが、1930年頃より両側から解放操作が可能なものに改造されている『8620形機関車明細図』 p.87-88。
その他 外観は6700形以降D50形までの明治末期から大正期にかけての鉄道院・鉄道省の国産蒸気機関車の標準的なデザインとなっており、化粧煙突、前部デッキから歩み板にかけての乙形の形状が特徴であったほか、運転室側面裾部は8620 - 8643号機『機関車の系譜図 4』 p.496が8800・8850形や9600形9617形までなどと同様のS字形、8644号機以降が8700形や9600形9618号機以降と同じ乙形の形状となっている。また、空気ブレーキ装置を装備した1923年発注の68661号機以降は歩み板の後半部が一段高くなって運転室側面下部の乙字形につながる形状となっており、運転室裾部を炭水車台枠上部に揃えたものとなっている『8620形機関車明細図』 p.122-131。
砂撒き装置は当初は重力式のもので第2動輪の前側に撒砂される方式であったが、空気ブレーキ装備後の1924年発注の78670号機から空気式となり、第1動輪前方と第2動輪後方に撒砂される方式『8620形機関車明細図』 p.194-195となり、以前の機体も空気式に改造されている。
8620 - 8643号機の炭水車は、石炭搭載量は3.05 tで炭庫上部が外側に若干開いた形状の2670英ガロン（12.14 m3）形、8644号機以降は9600形9618号機以降のものと同一形式で石炭搭載量は3.30 t、炭庫上部が垂直の形状となった455 ft3（12.88 m3）形となっており、さらに18688号機以降は9600形49602号機以降と同じく、形式は455 ft3形のまま炭庫を上部に拡大して石炭搭載量を6 tとしたタイプとなっている『国鉄蒸気機関車史』 p.23『国鉄蒸気機関車史』 p.91『鉄道技術発達史 第4篇』 p.226。
改造 本形式の複式のピストン弁は単式のものよりも平均有効圧が高いため採用されたものであったが、後に蒸気漏れが大きいことから単式が一般的となり、同じく複式であった9600形、D50形、C51形などとともに単式への改造が1930年代から第二次世界大戦後にかけて実施されている『鉄道技術発達史 第4篇』 p.367。
当初は灯火類にランプを使用していたが、後のC51形やD50形が1927年度発注分より電気照明となり『国鉄蒸気機関車史』 p.47, 59、本形式もその後ボイラー上部に発電機を搭載して前灯、標識灯、運転室内灯、計器灯などが電灯化されている『8620形機関車明細図』 p.204-205。しかし電灯もランプである。
除煙板は1927年頃より各鉄道局で試験されていた除煙装置の一つで、1932年製のC54形から制式化されており、本形式においてもこの頃より一部の機体に追加装備されている『国鉄蒸気機関車史』 p.53。また、後年には小倉工場式切取り除煙板（通称門鉄デフ）を装備した機体もある。
前述の8620...68660号機の空気ブレーキ化改造においては、当初より空気ブレーキ装置を搭載していた68661号機以降と同様に歩み板を2段としてその下部に元空気溜を吊下げる方式と、段差無しの歩み板のままその上部に元空気溜を置く方式の2つの方式が採られている。一方、1927年頃より運転室の床を2段から1段に変更する改造が実施されているが、この際に運転室側面の裾部を従来通り炭水車台枠上部と合わせた低い位置のままとした機体と、運転室床面と合わせた高い位置まで上げて裾部形状をいわゆる”位置の高い浅い乙字形”もしくは”位置の高いS字形”とした機体の2種があり、前者の運転室側面裾部の形状は、歩み板が段差無しの機体は”位置の低い浅い乙字形”もしくは”位置の低いS字形”、2段の機体は”深い乙字形”となっている。
本形式は長年に亘り運用されており、後年の改造は多岐にわたっているが、回転式火粉止や前照灯類の交換といった当時の蒸気機関車における一般的なもののほか、主なものは以下の通り。 ボイラーへの給水を排気によって加熱する給水加熱器は鉄道省においては1914年から試作・試用が始まった『国鉄蒸気機関車史』 p.217が、本形式においても本省式、ウェアー式、本省細管式、住山式、ウォーシントン式、メカトーフ式が1921年から1925年にかけて計37両に搭載されている『国鉄蒸気機関車史』 p.219。なお、給水加熱器は1923年製のD50形から制式化され『機関車の系譜図 4』 p.515、在来の機体に対しては1938年度にかけて9600形の約200両やC51形のほぼ全機など553両に搭載されている『国鉄蒸気機関車史』 p.223が、本形式への搭載例は多くない。 1928年にC51形6両に対して煙室を延長してシンダーによる沿線火災防止や旅客サービス向上などを図る改造が実施されている『国鉄蒸気機関車史』 p.50が、類似の煙室延長改造が本形式においても一部の機体 （8657号機『ガイドブック 最盛期の国鉄車輛 13 蒸気機関車 I』 p.108、18629号機、28667号機『機関車表』 p.1194、38690号機『ガイドブック 最盛期の国鉄車輛 13 蒸気機関車 I』 p.119、68633号機など）に実施されている。 煙突を化粧煙突からパイプ煙突に交換した機体『機関車の系譜図 4』 p.497が多いほか、原形のものより長さの長い化粧煙突に交換した機体（18658号機『機関車の系譜図 4』 p.494など）もある。 一部の機体（48674号機、48676号機『ガイドブック 最盛期の国鉄車輛 13 蒸気機関車 I』 p.123、48679号機、68658号機など）は、入換時等の後方視界の確保のため、炭水車をC56形のものと同様の上部の幅を狭い形状に改造している。 鷹取機関区東灘支区で神戸港での入換用に使用されていた機体は煙突の前部に警鐘を装備しており（8651号機『ガイドブック 最盛期の国鉄車輛 13 蒸気機関車 I』 p.111、18670号機、48667号機、88639号機など）、この鐘は市街地の踏切等において汽笛の代わりに使用されるもので、空気シリンダーとテコによって動作するものであった。 一部の機体（48667号機、48633号機『機関車表』 p.1171、78657号機『機関車表』 p.1215、48676号機『ガイドブック 最盛期の国鉄車輛 13 蒸気機関車 I』 p.122など）動輪をスポーク輪心からボックス輪心のものに交換している。
なお様々な改造が実装されたことで各動輪の軸重が変化している。当初は最大軸重は第3動輪の13.48 t『日本蒸気機関車形式図集成』p.386であったが、改造により第2動輪の14.35tが最大となった『日本蒸気機関車形式図集成』p388。のちに第2動輪は最大14.4 tとなり最小軸重である第1動輪の13.3 tと1 t以上の差がある、他形式でも殆ど例のない軸重バランスの悪い形式となったばかりか、丙線規格の軸重も超過している。
付番法 8620形の製造順と番号の対応は、1番目が8620、2番目が8621、3番目が8622、…、80番目が8699となるが、81番目を8700とすると既にあった8700形と重複するので、81番目は万位に1をつけて18620とした。その後も同様で、下2桁を20から始め、99に達すると次は万位の数字を1繰り上げて再び下2桁を20から始め…という八十進法になっている。したがって、80番目ごとに万位の数字が繰り上がり、160番目が18699、161番目が28620、…となっており、番号と製造順は万の位の数字×80+（下2桁の数字-20）+1=製造順という関係となる。
例えば58654であれば万の位の数字が5、下2桁が54となるので、製造順は5×80+ (54-20) +1=435両目となる。
製造 鉄道省で672両を導入したほか、樺太庁鉄道向けに15両、台湾総督府鉄道向けに43両、地方鉄道（北海道拓殖鉄道）向けに2両の同形機が製造されている。
鉄道省 鉄道省では大正時代の標準形として1914年から1929年の間に672両（8620 ... 88651号機）を導入した。半数以上が汽車製造会社製造。のちに川崎造船所、日本車輌製造、日立製作所、三菱造船所も製造した。樺太庁鉄道の15両は、1943年の南樺太の内地編入に伴い鉄道省保有となり、88652 - 88666号機となっている。樺太向けの15両を鉄道省としての製造両数に含め、製造両数を687両と記載している文献もある。
竣工年度ごとの番号、製造所、製番、両数は下表のとおり。