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蒸気機関 歴史
この蒸気機関は、パパンやセイヴァリの蒸気機関をさらに発展させたものであり、ボイラとは別に設けたシリンダーの蒸気に冷水を吹き込んで冷やし、蒸気が凝縮して生じる真空（大気圧）でピストンを吸引し、頂部の大きなてこを介して、その力で坑道からの揚水ポンプを駆動するものであった。原理的にはパパンの蒸気機関のシリンダーからボイラーを分離して、継続的に運転できるようにしたものであり、ニューコメン独自のアイデアとして、蒸気中へ冷水を直接噴射して冷却する方式、大てこの動きを利用した自動運転方式等が挙げられる。その後の産業革命の動力を担った蒸気機関の実質的な発明とされている。
セイヴァリは大気圧を超える蒸気の圧力を用いて水を排出しようとしたが、ニューコメンは大気圧の蒸気とその凝縮により生じる真空だけを利用した。当時の技術では、ある程度の高圧に耐え得るボイラが作れなかったため、この方式だけが実用化できた。発明の動機がニューコメンが住んでいた村の鉱山のわき水を汲み出す、自動の「つるべ井戸」であったために往復運動を回転運動に変えていない。運転速度は、毎分12サイクル程度であったという。なお冷水で冷やすときシリンダーも冷えるので燃料効率は低く、掘り出した石炭のうち実に1/3程度がこの揚水ポンプのために消費された。熱効率は1%にも達しない程度であった。
蒸気機関 歴史
ニューコメン機関は1733年までセイヴァリの特許のもとで建造され、その後も含めて多くの技術者・科学者が建造・改良に関わった。1769年にワットがその改良特許を取得して以降も、ワット機関より多くのニューコメン機関が建造され、18 世紀の間でイギリスおよびヨーロッパの各地で建造されたニューコメン機関は、1500 から 2000 台にのぼった。
イギリス・スコットランドのエンジニアであるジェームズ・ワット（James Watt, 1736年1月19日 - 1819年8月19日）は、1769年に新方式の蒸気機関を開発した。これはニューコメンの蒸気機関から復水器を独立させ蒸気を冷やす事でシリンダーを高温に保つことに成功したもので、ニューコメン機関に比べ燃料が4分の1で済むようになり、大幅に効率が増した。さらに負圧だけでなく正圧の利用、往復運動から回転運動への変換、フィードバックとしての調速機の利用による動作の安定などの改良をしている。
蒸気機関 歴史
蒸気機関の誕生以前の炭鉱では馬が動力として利用されていたが、飼葉代が高騰した際に、炭鉱経営者が馬に代わる動力として安価に入手出来る石炭を利用できる蒸気機関に着目したことが蒸気機関の普及を促進させたとも言われている。またワットは、定置動力としての蒸気機関を市場に供給するにあたり、後年における設備リース的な手法でエンジンを顧客に提供する手段も用いて普及を推し進めた。
それまで存在しなかった「馬力」という単位・尺度もワットの考案である。個々のエンジンの性能価値を算定するため、標準的な荷役馬の力も参考に、一定時間の仕事率を指標として作り出された重要な概念であった。その後、蒸気機関に限らずさまざまな動力の尺度に広く用いられることになった。
蒸気機関ではボイラーの爆発事故が多く起きたため、ワットはある程度以上の高圧の使用に反対した。蒸気圧を大きく高めて使う時代がきたのはワットの特許が切れてからである。ワットなどによって用途の広がった蒸気機関は、水力に頼らない工場の立地や交通機関への応用（都市化の進展、機関車、蒸気船）など、産業革命・工業化社会の原動力になるとともに、燃料である石炭を時代の主役に押し上げた。
蒸気機関 歴史
ワットの蒸気機関の特許が1800年に失効すると、リチャード・トレヴィシックらがさっそく高圧蒸気機関の開発に成功し、蒸気機関の出力は大きく向上した。この蒸気機関は高圧蒸気で直接機関を動かし、復水器を廃止したものだった。その後も改良は続けられ、1849年にはアメリカのジョージ・コーリスが吸気弁と排気弁を改良したコーリス蒸気機関によってさらに大幅に効率が改善された。
また、こうした蒸気機関の性能向上のほかに、蒸気機関を交通機関に使用する試みも盛んに行われていた。交通機関への転用で最も早く実用化されたのは蒸気船であった。蒸気船は1783年にフランスのクロード・ジョフロワ・ダバンが試験走行に成功したのち、幾人かが実用化を試みたが、ロバート・フルトンが1807年にハドソン川で外輪型蒸気船の航行に成功し、実用化に成功した。初期の蒸気船は外輪船だったが、これは外海の荒波と相性が悪く、航行は内陸河川に限られていた。やがて外輪の改良によって蒸気船は外洋航行が可能になったが、1840年代に入るとより高速を得られ安定性も高いスクリュープロペラが主流となり、さらに1860年代に高性能の船舶用蒸気機関が登場することで、蒸気船は全盛期にあった帆船を駆逐して主要な海洋交通手段となった。
蒸気機関 歴史
ついで蒸気機関は陸上交通機関にも応用されるようになった。前述のリチャード・トレヴィシックは鉱山などに敷設されていた馬車鉄道に蒸気による交通機関を走らせることを構想し、1804年には世界初の蒸気機関車を発明した。これは実用的なものにはならなかったものの、以後改良が重ねられ、1825年にはジョージ・スチーブンソンによってストックトン・アンド・ダーリントン鉄道に蒸気機関車が走り、ついで1829年にはリバプール・アンド・マンチェスター鉄道に使用する機関車のコンテストでロバート・スチーブンソンの設計したロケット号が優勝し、翌1830年に営業を開始した。ロケット号には革新的な技術が使用されており、以後の蒸気機関車の基準となった。またリバプール・アンド・マンチェスター鉄道も大成功をおさめ、これによって蒸気機関車とそれの走る鉄道という組み合わせが完成し、瞬く間に世界中に普及した。
なお、蒸気機関を自動車に使用する案は蒸気船や蒸気機関車よりもさらに古く、1769年にはフランスのニコラ＝ジョゼフ・キュニョーが世界初の蒸気自動車であるキュニョーの砲車を開発したが、実用化には失敗した。以後、およそ100年以上にわたって蒸気自動車の開発は続けられ、19世紀末には電気自動車や各種内燃機関の自動車としのぎを削ったが、1910年代前半にはガソリン自動車との競争に敗れ姿を消した。
蒸気機関 歴史
この時代のプレス機械や蒸気ハンマーには、蒸気機関の回転運動で作動する方式の他に、蒸気圧でピストンを直動させる（液圧を介する場合もある）方式もあった。
しかしその後、19世紀から20世紀にはいる頃から、電気動力・内燃機関動力が発達をしはじめた。蒸気機関は、ボイラー、復水器などの付帯設備が大きいこと、（それらの新動力と比べると）エネルギー効率が低く対重量比出力が低いこと、起動・停止に手間がかかることなどが災いして、地位の低下を余儀なくされた。
蒸気機関 歴史
大型化にシビアな制限のある小型の移動機関、特に自動車については早期に内燃機関に移行した。自動車ほど小型軽量化にシビアではない機関車は、20世紀中盤まで蒸気機関車が主役の座にあり続けたが、それもその後減少し、21世紀になる頃には世界的に見てもごくわずかなところに残るにすぎなくなっていた。なお、大きさや起動・停止の手間などが問題にならない大型のシステムについては、1884年にチャールズ・アルジャーノン・パーソンズによって蒸気タービンが実用化されるとレシプロ式から蒸気タービン式への移行も発生した。発電用としては、大規模な発電プラントではおもに蒸気タービンが用いられ、規模の小さいプラントや移動用施設ではディーゼルエンジンやガスタービンが使用されるという形で特性に応じた住み分けが生じている。そのガスタービンなどの高温な排気によりボイラーで蒸気を生み出し、発電機付き蒸気タービンを廻して発電量を増やし熱効率を向上させる、コンバインドサイクル発電は今日普通に見られる。外燃機関特有の熱源の多様性は蒸気機関のメリットとして現在も有効であり、原子力発電やRDF、ごみ焼却場の廃熱を利用して発電に用いられている。
蒸気機関 歴史
また、大型船舶用としては、レシプロ蒸気機関は蒸気タービンに対しては負荷変動への適応性の高さと保守の容易さが、内燃機関に対しては燃料の多種性（石炭を使用でき、石油系資源に依存しない）が優位性を持ち、20世紀中盤までは共存状態が続いた。しかしながら民間の船舶に比べ高出力（加速力と最大速力）を求められる軍艦においては、20世紀に入って以降、急速に蒸気タービンへの移行が進んだ。ギアード・タービン方式、あるいは電気推進方式の普及で、効率と負荷変動への適応性が増した事で、その傾向に拍車がかかった。船舶分野での内燃機関は、まだ信頼性が劣る事もあり、20世紀中頃までは傍流であった。しかしながら、その後の技術の発展により信頼性が増した内燃機関は、小型船舶からはじまり、次第に大型船舶までも置き換えていった。大型軍艦用としては蒸気タービンの能力は、発達著しい内燃機関に劣るものではなかったが、内燃機関を用いる船舶と燃料を統一し軽油を用いる必要性から、燃料多様性のメリットが失われ、かつ軽油は蒸気タービン用としては揮発性の高さから爆発燃焼事故を招くなどの問題があり、次第に用いられなくなった。水上軍艦或いは民間船舶のガスタービン化と併せ、高温な排気からボイラーで発生した水蒸気で蒸気タービンを廻し動力なり電力を得る、COGESも見られる様になった。ただし原子力推進の軍艦においては、蒸気タービンが唯一の選択肢として用いられている。一部の航空母艦に艤装された蒸気カタパルトは、回転出力でなく直動出力を得るレシプロ蒸気機関の一種である。
また石油ショックを契機としたディーゼルエンジンの燃費効率の上昇から、民間船舶は概ねこれに切り替わった。
Mk. 50など一部の魚雷においては、ヴァルター機関系を含む、閉サイクル蒸気タービン機関等が現役である。同様に非大気依存推進潜水艦の一部に、ヴァルター機関系の閉サイクル蒸気タービンが検討・試作された事がある。
液体燃料ロケット用ターボポンプの一部は、エキスパンダーサイクルの場合は外燃機関として蒸気（水蒸気とは限らない）タービンで駆動され、液体水素・液体酸素燃料タップオフサイクルの場合は内燃機関として燃焼ガスによる水蒸気タービンで駆動される。
日本では幕末の1853年にロシア帝国のエフィム・プチャーチンが来航し、蒸気で走る模型を披露したり、1854年にアメリカのマシュー・ペリーが江戸幕府の役人の前で模型蒸気機関車の走行を実演した記録がある。また、嘉永6年（1853年）、佐賀藩の精錬方であった田中久重、中村奇輔、石黒寛二らによって外国の文献を頼りに軌間130mmの蒸気機関車や蒸気船の雛型 (模型) が製作された。また、加賀の大野弁吉が蒸気機関車の模型を作った記録がある。さらに同時期に長州藩の中島治平が長崎で購入したか木戸孝允がパリで購入したと伝えられるナポレオン号が山口県立山口博物館に保存されている。これらの機関車は2003年に国立科学博物館で開催された江戸大博覧会で展示された。
佐賀藩以外にも宇和島藩で伊達宗城が蒸気船の模型を軍学者である大村益次郎とちょうちん屋の嘉蔵(前原巧山)に作らせたとする記録があり、日本では実物よりも先に模型の方が完成したことにより、実物の導入以前に既に蒸気機関の原理や構造への理解が習得されていた。その後、明治維新・文明開化を経て国内でも産業革命が発生、普及していったが、第二次世界大戦後は内燃機関の普及や動力近代化計画の進行と共に衰退した。現在では一部の保存団体や愛好家によって維持されたり、教育目的や懐古趣味による模型が作られている。
蒸気機関 分類
単動式蒸気機関とはピストンの下がる時、或いは上がる時のみに蒸気が供給され力を出す蒸気機関である。単式蒸気機関とは異なる。
複動式蒸気機関とはピストンが下がる時だけでなく上がる時にも反対側から蒸気が供給される事により出力する。同じシリンダ径の場合、単動式よりも高出力だが、蒸気の消費量は倍増する。複式蒸気機関とは異なる。
一度使用した蒸気は再利用せずに放出される。単動式蒸気機関とは異なる
一度利用した蒸気を低圧シリンダで再度膨張させる事によって利用する。低圧シリンダの方が直径が大きい。三段膨張機関、四段膨張機関もあった。
膨張段数を増やす事によって単式機関よりもエネルギー効率が高まった。複動式蒸気機関とは異なる。
吸気口が上死点側にあり蒸気の流入のみを受け持つ。下死点側に排気口があり排気のみを受け持つ。蒸気は常に吸気口から排気口へ一方方向へ流れるのでこの名称で呼ばれる。
定置式蒸気機関は主に揚水や工場の動力等に使用された。揚水用の蒸気機関はクランクがなく往復運動を利用してポンプで水をくみ上げる。
移動して運転する事が出来る蒸気機関で農業などで使用された。搭載される動力で自走できる機能を持つものもあった。
蒸気機関 リード
蒸気機関におけるリードとは死点に達する直前に吸気口が開き蒸気が流入する事である。リードが大きいと始動が困難になる。一般的に運転中は変えられない。
蒸気機関 ラップ
蒸気機関におけるラップとは流入する蒸気を下死点に達するよりも早く締め切る事である。ラップが大きい方が蒸気の利用効率は高まるが始動は困難になる。一般的に運転中は変えられない。
蒸気機関 カットオフ
蒸気機関におけるカットオフとは蒸気が流入して回転力が最大に達した時点で吸気弁を締め切る事である。回転速度に応じてカットオフは変えることが可能である。
蒸気機関 応用
18世紀初頭以来、蒸気機関は動力源としてさまざまな分野で使われた。最初は蒸気ポンプなど簡単なものが多かったが、19世紀に入ると蒸気船、蒸気機関車など大規模な輸送機械として人類の生活に無くてはならないものとなった。
なお、蒸気船・蒸気機関車に関しては、レシプロ式蒸気機関のものだけではなく、蒸気タービンを用いたものも存在する。
蒸気機関車
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。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）という表記も用いられた（「汽缶」はボイラーの意）。
蒸気機関車 歴史
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。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「Blücher」（ブリュヘル号）と名付け、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。
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
蒸気機関車 歴史
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。
日本での歴史
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。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。
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。いったん運用を始めると火を止めると鉄が熱収縮による金属疲労を起こし、火室が割れる恐れが出て来るため、通常は機関車を走らせていない夜間も石炭をくべ続け、火を消さないよう運用する。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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が少なからず存在した。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）。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。
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。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。
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。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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（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）。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
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。最初期の蒸気機関車では1829年のスチーブンソンのロケット号が出場したレインヒルトライアルのルールが「（安全のため）ボイラ圧力は1平方インチ当たり50ポンド（約3.55気圧）以下」と非常に低圧で、その後鋳鉄技術の向上で1850年ごろには10気圧程度まで上がり、以下1870年代には鋼鉄製が一般化して11～12気圧、20世紀初頭には13～14気圧ぐらいでイギリスの場合では最盛期で17.7気圧（正確には「1平方インチ当たり250ポンド」）になった。他の国の場合はフランスは複式が多いので初期の圧力を高めにして20世紀初頭に16気圧、1930年代に20気圧のものが出始めこれが全盛期の標準。ドイツは過熱蒸気を早いうちに採用したので低圧でも飽和蒸気のような問題は起きないと保守を楽にするため、あまり圧力を上げずに第二次大戦前でも16気圧付近が上限で戦後の試作機10形の18気圧が最大で、これを手本にした日本も世界的には低圧気味で明治初期のイギリスなどから輸入した機関車で8気圧前後から始まって順次昇圧したが最大で16気圧までにとどまっている（計画では18気圧のものもあった）。試験的なもの（水管式ボイラーを採用していた一部の試作機関車では、ボイラー圧力が100kg/cm2超えもあったが実用的に成功したものはない）を除くと高圧が多かったのは蒸気機関車全盛期のアメリカで、黎明期の19世紀中ごろ時点では7気圧とかなり低かったが1893年のNYCの999号（New York Central and Hudson River Railroad No. 999）が12.6気圧、その後他の国で圧力の進化が止まっても上昇を続け、第二次大戦中21気圧、戦後ノーフォーク＆ウェスタン鉄道で22気圧を煙管式ボイラーで達している。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
煙室は機関車の先頭部分にあり、ボイラー内の煙管を通過した燃焼ガスと蒸気室内のシリンダーでピストンの作動させた蒸気（排気ブラスト）が吐出管を介して入り、その後に上部にある煙突から両者が吐き出される所である。吐出管から勢い良く噴射した蒸気が、上部にある煙突に目がけて流れるため、霧吹きで水が吸い上げられるように、気圧差により内火室からの燃焼ガスを煙管を介して強制的に誘引することにより、内火室への空気流入量が増えて燃焼効率の向上、ひいては発生蒸気量を増大させる重要な働きを持っており、これを「ドラフト」という。
模索期の機関車と復水式の機関車ではドラフトに圧縮空気を使用するものもあったが、模索期の米仏にあった車軸からベルトでふいごを動かす装置では勾配（低速になる）でドラフトが弱まるという致命的な問題があったため、蒸気消費量が多くなるほどドラフトが強くなる排気ブラストを使用する方法を変えることはなく、復水式は蒸気を捨てずに水に戻して再使用する以上排気ブラストが使えないことから一部の蒸気でタービンを回してそれで車体前部では排気ブラストに変わってドラフトを起こし、テンダーでは蒸気を冷やして水に戻したが、このエネルギー分の燃料とメンテナンスの手間が増大したので、復水式自体が商業的に成功しなかった。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
また、煙は上の煙管を通りやすいので燃焼ガスの流れを上下で均一にするため、加減反射板を装備して、蒸気の通過速度が一番速い煙室下部に迂回して燃焼ガスを導いており、加減反射板は迂回の度合いを調整することが可能である。また、一部の機関車では、吐出管から出るの蒸気の噴射速度の調整ができるようになっている。また、惰性運転時での後述する絶気運転や停止中では、蒸気溜の加減弁が閉の状態のため、蒸気室のシリンダーにボイラーからの蒸気か送り込まれず、煙室内にドラフトを発生させるため、運転室の蒸気分解箱にある通風弁（ブロアバルブ）を開いて、蒸気を別にある通風管を介して煙室内に送り込み、煙突に向けて噴き出すことで、ドラフトを発生させて内火室からの燃焼ガスを煙管を介して誘引させている。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
機関車をスムーズに走らせるためには、シリンダーに送る蒸気の方向を適切に制御する必要があり、右側の弁装置 により制御される。出力の制御は運転室にある加減弁ハンドルと逆転機ハンドルによって制御される。加減弁ハンドルは、蒸気溜にある加減弁に引き棒で繋がっており、動かす事により蒸気溜から蒸気が乾燥管と主蒸気管を介して蒸気室に流れ、蒸気室内の2つの蒸気弁の間のある弁室を介して蒸気室前後に設けられた蒸気通路のどちらか一方を通って蒸気が送り込まれ、シリンダー室内のピストンを作動させる。蒸気が送り込まれたピストンの反対側の蒸気は、シリンダー室から蒸気が送り込まれた蒸気通路とは反対側の蒸気通路を通って蒸気室に戻り、蒸気室左右にある排気通路から吐出管に排出される。この動きを前後交互に行うことでシリンダー内のピストンを往復運動させることができる。シリンダー内のピストンを往復運動させる蒸気の給排気を行う蒸気室の蒸気弁は、ピストンとの間で90度の位相差で動いており、蒸気弁はピストンの動きを伝達して動かしている。力の伝達はピストンロット→クロスヘッド→合併テコ→蒸気弁の弁心棒とピストンロット→クロスヘッド→主連棒→返りリンク→偏心棒→加減リンク→心向棒→合併テコ→蒸気弁の弁心棒の2つの径路で伝達される。また、合併テコは2方向から伝達される力を合併する役割を持っており、それを介して蒸気弁を作動させる。また、発車時では、一気に加減弁を開けてしまうと、蒸気が一気にシリンダー内に入り、動輪が空転してしまうため、加減弁を徐々に開いていく操作を行う。惰性運転時には、加減弁を完全に閉じてシリンダー室に蒸気がまったく入ってこない状態にする（絶気運転とも呼んでいる）。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
逆転機ハンドルは逆転棒と繋がっており、その先の釣りリンク腕と釣りリンクを介して心向棒と繋がっていて、さらに心向棒から加減リンクを通り蒸気室の蒸気弁と合併テコを介してクロスヘッドに繋がっている。逆転機ハンドルは回すことで、心向棒を介してシリンダー室上部にある蒸気室の蒸気弁を操作できるようになっている。蒸気機関車の速度制御は、蒸気溜にある加減弁での調整によっても可能であるが、実際の速度制御は、蒸気弁からシリンダーへの通路の開口部の開口率の変化によって行われる。その変化の動作に使用されるのが偏心棒、加減リンク、心向棒の3つであり、加減リンクは中央を支点としてモーション・プレートに取り付けられており、その下部に連結された偏心棒により、加減リンクが支点を中心として上部と下部で往復運動を行なって、心向棒と合併テコを介して蒸気弁の弁心棒に力を伝達する仕組みとなっている。心向棒の力点は、逆転機ハンドルにより加減リンク内を上下方向に動かすことが可能であり、加減リンクの支点に近い位置では、蒸気弁の往復運動の幅が小さくなり、加減リンクの支点から離れた位置では、蒸気弁の往復運動の幅が大きくなる。その幅の変化が開口率の変化となり、開口部の大きさと蒸気弁からシリンダーへの蒸気が入らないカットオフの時間が変化することで、シリンダーに入る蒸気量の調整を行い、シリンダー内の中のピストンが時々の状況に応じた速度に対応した往復運動をするようになっている（出発時は、心向棒を加減リンク中央から下に離れた位置に移動させて、開口率を大きくカットオフの時間を短くすることでシリンダー室に入る蒸気を多くして動輪の回転力を大きく回転数を小さくし、速度が上がるにつれて、心向棒を加減リンク下部から中央の位置に徐々に移動させて、開口率を小さくカットオフの時間を長くすることでシリンダー室に入る蒸気を少なくして動輪の回転力を小さく回転数を大きくする）。また、開口率は、80%-0%の間で表しており、全出力で80%、停止時や惰性運転時では0%としている。また、加減リンクは前進または後進の切り替えも行い、同じく逆転機ハンドルを回すことにより、心向棒を加減リンクの中央（支点の部分）から下に下げると前進、上に上げると後進となる（前後進の切替は停止時に行う）。その他に、発車時に常温まで冷えたシリンダー室に蒸気を送ると、蒸気の温度が下がり凝縮が発生してシリンダー室に水が溜まるため、溜まった水を排出するシリンダー排水弁や、蒸気室の前後をバイパス管で結びその中間に弁を設置し、惰性運転時に、逆転機ハンドルを操作して蒸気室とシリンダー室を結ぶ蒸気通路の開口率を80%にしてからその弁を開き、シリンダー室のピストンの前後の空気を行き来できるようにして、ピストンの空気抵抗を最小にするバイパス弁がある。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
機関車の出力は最終的にはシリンダーの大きさ×数×蒸気圧力で決まる。カタログではシリンダー直径×行程で示される。蒸気機関車の設計は、シリンダーで使用される蒸気量と、蒸気を作る能力（火室やボイラーの性能）がマッチするよう考慮される。
気筒室で作られた往復運動は主連接棒（メインロッド）を通じて動輪に伝えられ、ここで最終的に回転運動におきかえられる。主連接棒と連結されている動輪を主動輪という。主動輪と他の動輪は連結棒（カップリングロッド）で連結されている。また左右の動輪は車軸で繋がっており、2シリンダー機の場合は連結棒を介して90度の角度でずらして主連接棒と連結されていて、それにより片方の気筒室内のピストンが前端または後端の死点に達してピストンの力がゼロになっても、もう片方のピストンの力が最大になるように動力伝達されている。
動輪以外に機関車に設置される車輪として先輪と従輪がある。先輪は動輪の前に設置され、カーブでのスムーズな方向転換に有効であり、機関車重量の一部を負担する効果もある。従輪は動輪より後ろに配置され、機関車後部の重量を受け持つ。大きな火室を必要とする高出力機では、小さな従輪の上に幅広の火室を装備する広火室タイプが採用された。
蒸気機関車 蒸気機関車の原理
蒸気機関車の最高速度はシリンダーの往復速度と動輪の直径（動輪径）で決まる。すなわち巨大なクランク構造となっている蒸気機関車の動輪回転数は400rpm付近が限界とされており、実際に各国の蒸気機関車の最高速度もほぼこの限界値近くにある。高速度が要求される蒸気機関車は当然大きな動輪径が設定される。
蒸気機関車に限らないが滑らかな鉄の車輪を鉄のレールの上で走らせるため、スリップ（空転）を起こしやすい。重量のある列車を牽引する際に空転を防ぐためには動輪とレールの粘着性を上げることが必要だが、手段としては全動輪にかかる重量を増やす方法がとられる。即ち動輪1対あたりの重量（軸重）を増やすか、動輪数を増やして動軸上重量を増やすの2種類の方法がある。動輪および前輪と従輪の配置や数（軸配置）は機関車の性能を決定する重要なファクターである（車軸配置参照）。軸重の増加については軌道の強化が必要であり、動輪数を増やす場合については機関車の長さの問題、急カーブ通過時の問題などが発生する。動輪数を増やしてカーブ対策を行った方式として、前後に複数の駆動システムを有する関節式機関車がある。
前記したボイラーに水を注水するための給水ポンプとインゼクタがボイラー横に搭載される他、蒸気機関車自体や牽引する客車のブレーキ装置を作動させる圧縮空気を作る目的でボイラー缶胴部横や煙室前面などにコンプレッサーを搭載している（イギリスなど真空ブレーキ式の国ではこれがなかった。空気ブレーキはアメリカで1869年に発明され1872年に直通から自動式に改良、米国では1893年に全列車に空気ブレーキが装備が義務付けられた。なお、日本では真空ブレーキが先（1891年）に導入されたが、勾配が多い日本では1920年代以後に連続使用が効く空気ブレーキ式に切り替えられた。）調圧器により自動的に作動しており、そこで作られた圧縮空気は繰出管を介して冷却されてボイラー横の元空気溜に蓄圧される。また、前照灯など電気装置やATSの保安装置などを使用する目的でタービン発電機がボイラー上部の運転室側に搭載される。コンプレッサーもタービン発電機もボイラーから運転室に取付けられた弁が付いた蒸気分配箱を介して送られた蒸気を動力源としており、これらの弁の操作により蒸気が送られて各種補機を作動させる。
蒸気機関車 特徴
多種類の燃料が使える。高熱量のものが望ましいが、石炭に限らずおよそ可燃物なら何でも使用可能。石炭以外の例として、石油の豊富なインドネシアなどでは重油、東京ディズニーランドのウエスタンリバー鉄道などでは灯油、軽便鉄道などでは薪、海外では草・バガスなどの例がある。第二次大戦中、燃料が高騰する一方で電力は水力発電で確保できていたスイスでは、蒸気機関車を電気加熱できるよう改造した例もある。わが国にも昭和20年代に重油を混燒するものがあった。
蒸気機関車 特徴
構造が簡単で修理が容易なために耐用寿命が長い。通常約30年程度。それ以降の運転は大規模な修繕や部品交換（オーバーホール）が必要とされるが、電気機関車やディーゼル機関車に比べて、延命が容易。世界遺産でもあるインドのダージリン・ヒマラヤ鉄道で使用されるイギリス製の蒸気機関車は、最古のもので110年にわたり使用されている。車籍を有し営業運転することのできる機関車として、日本のJR九州が保有する58654（8620形）があり、これは1988年（昭和63年）の復活運転以降ボイラーや台枠など多くの部品が交換されているものの、1922年（大正11年）の製造から約90年を経過してなお運行を続けている。さらに正式な鉄道路線ではないものの、博物館明治村で動態保存され施設内で実際に乗車できる客車を牽引する旧名古屋鉄道12号（元国鉄160形蒸気機関車165号）に至っては、ボイラーは1985年（昭和60年）に新製されたものと交換されているが、1874年（明治7年）の製造から130年以上が経過している。
蒸気機関車の短所と言えるものには、次のようなものがある。
蒸気機関車 特徴
高速運転できない。一般的な構造を備える蒸気機関車の速度は、動輪の直径とシリンダーの往復速度に比例するため、シリンダーの往復速度を速く、また動輪径を大きくするほど高速運転が可能となる。しかしシリンダーの往復速度の上限は、シリンダーとそれを支える台枠の剛性や強度、それにシリンダーやロッドなどの慣性質量に依存することから、ホイールベースが長く高速走行をする機関車ほど振動が激しくなり、通常の構造では一定の速度以上への引き上げは難しい。また動輪径についても、動輪の後方で従輪で火室を支えたり、ボイラー下に火室や動輪がこないガーラット式などの構造である程度カバーはできるものの、大径化に伴いボイラーや火室の邪魔になる他、軌間（レールの幅）を大幅に越えると一般に重心が高くなるため走行が不安定になり、危険である。このため標準軌でも実用になったのは7 - 8フィート (2,134 - 2,438 mm)付近（20世紀に入ってからは7フィート以下が普通）であり、これ以上に大径の動輪は実験的なものである。蒸気機関車の最高速度は、狭軌 (1067 mm) では1954年に日本のC62形17号機が129 km/hを記録し、標準軌 (1435 mm) では1936年にドイツの05形が、1938年にイギリスのLNER A4がそれぞれ200 km/hをわずかに超えた速度を記録している。しかしLNER A4はページにある通り無理に速度を出した場合の数値である。C62はまだまだ余力を残しており10‰勾配と曲線を超え木曽川橋梁から岐阜へ向かえば140 km/hは出せていた。C62の営業列車で120 km/h以上の速度を出す機関士もおり、他の機種でも戦時中の若い機関士を中心に客車を引っ張って129 km/h以上を出すこともあった。
蒸気機関車 特徴
営業最高速度は日本と同じ1067 mm軌間ではインドネシア（1000形; 国鉄C53形蒸気機関車が輸出され導入されたもの）やニュージーランド（Ka形（en:NZR KA class）の120 km/h前後が最高である。なお インドネシア1000形蒸気機関車は90 km/hほどで機関車が手に負えないほど振動が激しくなり、1931年に試験目的で100 km/hまで走行試験をしたところ更に激しく揺れたため最高速度は90 km/hに制限されており、120 km/hの営業運転がされていたという記述は信憑性が全く無い。インドネシアの最速機関車は110 km/hの記録を出したC28タンク機関車で短距離高速列車を90‐95 km/hの営業最高速度で運転していた。さらにニュージーランドKa形についても 同国のJA形が120 km/hを超えた逸話と混同しており、蒸気機関車時代の営業運転速度は120 km/hどころか50 mph (80.5 km/h)である。またニュージーランド最速記録は英国から輸入したレールバスの125.5 km/hであり、それに迫る速度で営業運転をしていたことになる。標準軌でも、前述の最高速度記録を持つイギリスのLNER A4は、通常運行では安全面から90 mph (140 km/h)ほどである（ドイツの05形に至っては車両自体が高速性特化で牽引力が低いため4ないし5両程度の客車しか引けずに量産されてない）。一方こういった問題のない電気運転の場合は、1903年にすでに200 km/hを突破した記録がある。（高速鉄道の最高速度記録の歴史も参照）
蒸気機関車 特徴
低速においても、鉱物などの大量輸送で見かけるような20-40 km/h程度では、本来の出力を発揮できない。このことはレシプロ機関を直接動力として採用する蒸気機関車の宿命でもあり、出力は速度にほぼ比例し50 km/hから100 km/hで最高出力となる設計である。電動機では速度ゼロから定トルク運転ができ、ハンマーブローに起因するトルクの変動（空転の原因になる）もなく、機関車重量すべてを粘着重量にとれる電気式ディーゼルの方が圧倒的に有利である。
始動に時間がかかる。煙管式ボイラーが完全に冷え切った状態の場合、火入れ・蒸気の発生に数時間前から作業開始する必要がある。また走行終了後も石炭ガラの廃棄などの作業が必要である。さらにボイラーの熱膨張・収縮のサイクル繰り返しによるひび割れの発生等、ボイラー寿命の短縮を防ぐため、蒸気機関車の日常運用に当たっては火を落とさなければならない重整備でもない限り、真夜中でも最小限の火を焚き続ける「保火」が運用に際しては一般的に行われ、ボイラーの保護と始動時間の短縮を図っている。
蒸気機関車 特徴
電気機関車やディーゼル機関車の場合1人でも運転可能であるが、蒸気機関車の運転には、走行操作をする機関士とボイラーに水や石炭を送る操作をする機関助士の2人が必要となるため、2倍の人員を必要とする。後年自動給炭が可能なものも登場したが、機関助士の乗務を不要とするには至っていない。また、電気機関車やディーゼル機関車は重連運転の場合先頭車にだけ運転士が乗っていればよいが、蒸気機関車の場合は重連で4人、三重連だと6人の人員が必要になる。なお、燃料を石油だけにすれば1人でも運転可能ということにはなるが、他の欠点を補えるわけではないので、そのような時代が来る前に電気機関車・ディーゼル機関車の時代になった。
蒸気機関車 特徴
急激な出力の調整が困難。蒸気機関車はシリンダーからのドラフトを活用することで、ある程度の即応性を持ち、初期の鉄道では優位に立ったものの、ボイラーの熱容量の大きさゆえにドラフトによる出力上昇には限度がある。したがって峠越えのような連続登り勾配区間の走行に対しては、麓に至る前から慎重に投炭と給水を調整し、缶水位とボイラー圧力とをともに上げていく機関助士の職人的作業が不可欠であった。しかも峠越え区間に入ると空転の発生から蒸気量が絞られ、ドラフトによる蒸気発生量の増加も同時に落ちるとともに、使用蒸気量を補う給水の増加のため缶水温度の低下にボイラー圧力の低下が起きることから、「出力が欲しい場面で出力が低下する」宿命があった。しかも峠越えの前にボイラー圧力を上げ過ぎると安全弁から蒸気が逃げ出してしまい、投炭した石炭エネルギーの無駄となるばかりか、水も逃げるため走行可能距離も落としてしまう。
蒸気機関車 特徴
大量の煤煙（ばいえん）・ガスを排出するのでトンネルでは窓を開けられない（この関係で山国では早くから電化が進んでいることが多い）。日本国内では急勾配と長大なトンネルが多く、統計によると1931年（昭和6年）から1941年（昭和16年）までにトンネル内での乗務員事故36名、犠牲者2名を出している。狩勝トンネルでは9600形の乗務で事故や犠牲者が出ており安全衛生の改善を発端に争議が発生した。1928年には、滋賀県と福井県の県境にある柳ヶ瀬トンネルで急勾配のため従来から立ち往生や逆行を起こしていたD50形 2両が牽引する貨物列車がトンネルで空転を起こし、救援に向かった列車も立ち往生してしまい全員が窒息による危篤状態に陥り、3名（5名説もあり）が死亡、12名が昏倒する悲惨な事故が起きている。
こうした理由で、ディーゼル機関車の発展が早かった米国では1930年代頃から蒸気機関車に挑戦するようになり、1946年の調査では、蒸気機関車が得意な特急牽引（蒸気機関車は低速だと全力が出せない）の仕事でさえ、NYCのナイヤガラ特急牽引機で比較した結果、初期コストと運用コストのいずれにおいても蒸気機関車と（電気式）ディーゼル機関車がほぼ同じ経済性とされるほどになっていた。1950年代に至っては、大半の鉄道会社がゼネラルモーターズ（GM）やゼネラルエレクトリック（GE）のディーゼル機関車に置き替えていた。
フランスではディーゼル機関車だけでなく、1952年にパリ - リヨン間の電化区間で主力になる予定だった電気機関車（パリ・オルレアン鉄道から引き継いだ機関車の改良型、3900馬力）よりも大馬力の蒸気機関車まで存在した。しかし電化の方が将来性があるとして、1948年から蒸気機関車新造を打ち切っており、これ以後は改造機もほとんどない。
日本でも新造は1948年のE10、改造名義だが実質新規製造のC62（1949年）までで、1950年代は従輪の付け替え程度の改造にとどめていた。その後国鉄は「動力近代化計画」として1960年（昭和35年）の会計年度より蒸気機関車を15年で全廃する計画を立て、電化やディーゼル化を推進した。そして梅小路蒸気機関車館に保存された車両を除き、予定通り1975年（昭和50年）の年度末となる1976年（昭和51年）3月に完了させた。
ドイツでも戦後量産されたのは、3000両以上あるプロイセンP8型の置き換え用として戦前に計画された、2-6-2プレイリーの23形だけであり、1959年末の製造終了をもって、ドイツ国鉄（DB）における蒸気機関車の新造は打ち切られた（東ドイツのDRでは改造機も含めるともう少し製造を行っており、ベルリンの壁崩壊まで残存の機関車もいた。）。
イギリスは、先進国の中では最も長く蒸気機関車の製造を続けており、1950年代にも完全新設計の機関車が新造されていたが、イギリス国鉄（BR）は1960年の貨物用2-10-0イブニングスターを最後に蒸気機関車の製造を打ち切り、1968年には蒸気機関車の商業運行を打ち切った。
蒸気機関車 蒸気機関車の分類
ピストン式
蒸気の圧力をシリンダーに導きピストンを作動させることで往復運動に変換し、その往復運動で動輪を駆動する方式で、広く普及した。
タービン式
蒸気の圧力を蒸気タービンに導き、回転運動に直接変換する方式である。タービンで発生した回転運動はギアやロッドにより間接的に動輪に伝達される。 詳細は蒸気タービン機関車を参照。
発電式
車上のボイラーで発生させた蒸気を、蒸気タービンや多気筒式蒸気エンジンに導き電力を発生させ、電気モーターにより駆動する方式である。アメリカなどに存在したが、試作段階にとどまった。一見するとディーゼル機関車のようで、とうてい蒸気機関車には見えないものが存在する。
ロッド式
ピストンの往復運動をロッドで直接的に動輪に伝達する方式。シリンダーとメインロッドと動輪そのものがレシプロエンジンを構成するが、通常はレシプロという用語を用いない。ほとんどの蒸気機関車がこの方式を採用している。
歯車式
蒸気機関車 蒸気機関車の分類
ピストンの往復運動を回転運動に変換し、その回転運動を歯車により間接的に動輪に伝達する方式、もしくはピストンの往復運動をクランクシャフトで回転運動に変え、シャフトとギアで動輪に伝達する方式。蒸気機関車の始祖とでもいうべきトレビシックの機関車は前者の方式だったが、当時の技術ではギアの高速回転ができず、本人自ら4号機の「Catch me who can」では歯車を排してしまっている。後者はギアードロコとしてそこそこ使われた方式で詳しくはギアードロコの項を参照。
チェーン式
ピストンの往復運動を回転運動に変換し、その回転運動をチェーンにより間接的に動輪に伝達する方式。自転車と似た原理である。ロッドを動輪に接続する必要がないため構造が簡便であるが、信頼性やチェーンの耐久性が低く普及しなかった。後述するバヴァリア号や、アメリカの森林鉄道でハンドメイドされた一部の車両がこの方式を採用している。
摩擦式
蒸気機関車 蒸気機関車の分類
動輪を上下2段に付け、上段の動輪をシリンダーで駆動し、下段の無動力の車輪を摩擦により間接的に駆動する方式。歯車比の理論を当てはめて考案されたもので、速度を上げる場合は上段を大きく、下段を小さくし、牽引力を上げる場合には上段を小さく、下段を大きくするという物であるが、実際には成果を上げず摩擦機構の問題も多かったため実用化しなかった。主な形式は1876年ドイツのエルザス＝ロートリンゲン鉄道向けに製造されたものであり、D7形451号「ファゾルト」という形式を与えられ1906年まで在籍していた。上段と下段の車輪径の比率は1:3で、牽引力を重視したため最高速度はわずか時速10kmだった。のちに似た方式をアメリカのホールマンとユージーン・フォンテインがそれぞれ考案している。
独立駆動式
V字型の蒸気エンジン1基を1つの動輪に直結させ、直接動輪を回転させる方式。各動輪間は連結されておらず、ロッド式のような重い可動部を持たない。静粛性や高速走行に優れる反面、引き出し時などに空転が起こりやすい欠点があった。ヘンシェルが製造したドイツ国鉄19.10形蒸気機関車が代表例であるが、実用化された時期が遅く、ディーゼル機関車の台頭期と重なったこともあって量産されず、短期間の運行のみに終わった。
化学燃料（有機燃料）
蒸気機関車 蒸気機関車の分類
石炭やコークス、重油などの化石燃料、その他薪やガスなどの炭素資源を燃焼させることにより熱エネルギーを発生させ、これによりボイラー内の水を沸騰させて蒸気を得る方式である。蒸気機関車のほとんどがこの方式で、燃料には主に石炭、コークスが用いられるが、石油（基本は重油）を燃料とする場合は専燃・併燃・混燃（混焼）の3つの方法があり、後者2種は主に粗悪炭を補う手段として用いられる、併燃と混燃の違いは火室投入前に固形燃料（石炭など）と石油の混合の有無で、固形燃料を燃焼させた上でその上に重油などをかければ併燃、予め石炭と重油を混合して投入するものが混燃である、技術的に簡単なのは混燃の方で石炭炊き機関車をほぼそのまま使用できるが、重油が燃えきるまで石炭着火が始まらず燃焼が遅くなる・黒煙が出やすい・重油まみれの石炭の撒布が困難といった欠点がある。
蒸気機関車 蒸気機関車の分類
日本では基本的に石炭燃焼だったが、重油併燃は古くからおこなわれており、蒸発力増大と消煙効果・火の粉による火災防止などのため勾配区間・隧道・市街地の線区などで使われていたが重油の価格が不安定なためしばしば打ち切られ大正後期から使用されなくなり、その後戦後の石炭危機による石炭不足を補うために昭和26年から復活したなお、C59形の127号機は併燃ではなく重油のみを燃料とする重油専燃機に改造されたことで知られている。日本国外ではドイツ連邦鉄道がこの方式に積極的であったことが知られ、世界的には重油専燃機がある程度普及した。タイなどの東南アジア各国では薪が多く使われた。変わった例としては、東南アジアの製糖工場で、砂糖の原料となるサトウキビの絞りかす（バガス）を機関車の燃料として用いた例が多くある。
圧力の外部供給
蒸気機関車 蒸気機関車の分類
ボイラーを有さず、外部から熱水とともに高圧蒸気を供給し、それをタンク内に蓄圧してピストンを駆動する方式を無火機関車（ファイアレス）と呼ぶ。一般的に蓄圧に2 - 3時間以上を要するにもかかわらず、その走行可能距離は著しく短いが、火を使わず煤煙なども一切出さないため、火気厳禁の産業施設などで使用された。また、高圧蒸気と熱水の代わりに圧搾空気を用いた圧搾空気機関車や、走行可能な距離が短いという欠点を改善するために、アンモニアや苛性ソーダなどの化学薬品を使用する車両も製作された。日本では無火機関車が1963年まで八幡製鐵構内で数多く使われていたほか、浜川崎駅から分岐するシェル石油（現在の昭和シェル石油）の精油所引き込み線で1960年代まで使用されていたことが知られている。生まれながらの無火機関車ではないが、群馬県の「ホテルSL」（元・SLホテル）や栃木県の「SLキューロク館」、鳥取県の若桜駅では静態保存されていた蒸気機関車の動力部などを整備し、圧搾空気を使って短い距離を走行させるというユニークな試みを行っている。日本国外でも観光用としての活動が伝えられており（ドイツのマンハイムの産業博物館など）、そのほか現在も南米などで商業用として稼動している可能性がある。
電力