複式機関
あまり多くの形式はないが、他に歴史的に重要なものがやはりフランスに起源を持っている。3シリンダー複式で、外側に2つの低圧シリンダーを90度の位相差で設置し、台枠内に1つの高圧シリンダーを低圧と互いに135度の位相差で設定したものである。1887年にエドゥアール・ソバージュ (Edouard Sauvage) の設計でフランスの北部鉄道向け試作機に初めて取り入れられた。この形式は1両だけの存在であったが、にも拘らず42年にわたって運用された。
シャプロンは第二次世界大戦後の機関車更新計画をソバージュ式3シリンダー複式機関車を含めて全面的に中止した。実際に製造されたのは1946年に改造された試作の242 A 1型とあまり成功作ではなかった4-8-2の3シリンダー単式機関車だけであった。242 A 1型はおそらく全期間を通じて最も重要な複式機関車で、わずか145.6 トンの機関車重量でシリンダー出力で5,300 馬力を発揮することができた。典型的な単式膨張の機関車では同じ出力を出すためにこの倍の重量が必要とされる可能性がある。
程度の差はあるがほぼ120度の位相差のクランクに設定し(最終的な設定は実験的に決定される)、高圧シリンダーを左側に置いた構成はアルゼンチンの技術者リビオ・ダンテ・ポルタにより、全て多段膨張で一部は3シリンダー複式の近代的な蒸気機関車を新しく製造するために開発された。これらの中には車軸配置2-10-0のものがあり、このうちの1つはアメリカ合衆国での高速貨物運用が想定され、高圧3段膨張方式であった。この構成は奇妙に見えるかもしれないが、ピストンの推力を等しくし、蒸気流路の配置という点で多くの利点があった。適切な保守と運行手順によれば、こうした機関車は現代の他の方式の機関車とも競争できると主張されていた。他には小型の2シリンダー複式のものがあり、有名なものとしてはキューバのサトウキビ農園用のバガスを燃料にした機関車がある。
こうした単発的なケースを除けば、最初の実用的な複式機関の機関車への適用として知られているのは、アナトール・マレーが1876年にバイヨンヌ-アングレット-ビアリッツ鉄道 (Bayonne-Anglet-Biarritz) 向けに小型の2シリンダー複式車軸配置0-4-2のタンク機関車を複数導入したものである。これは完全に成功を収め、長らく使用された。マレーはまた、高圧シリンダーと低圧シリンダーを独立に駆動する方式の複式の仕組みをいくつか考案した。あるものは単一の車体に双方を搭載したもので、これは実際には製作されなかった。また別な方式としては後部車体に高圧シリンダーを搭載し、これと連接構造の前部車体に低圧シリンダーを搭載した、マレー式機関車がある。マレー式の仕組みは世界中で用いられた。最初の適用例は1889年のパリ博覧会向けにドコービル社 (Decauville Company) により特別に製作された一連の600 ミリゲージ機関車である。もちろんこの構成は連接部分に蒸気が洩れがちな柔軟な蒸気配管構造を必要とし、これが前部連接車体に低圧シリンダーを搭載する理由である。高圧蒸気をそうした配管に通すとより洩れやすいからである。一方で低圧蒸気管が非常に長くなって、特に寒い日には温度が下がって凝縮する傾向を招くという欠点と引き換えであり、後年アメリカにおいては「単式マレー」が主流となる大きな原因であった。
しかしながらこのアイデアはその路線の機関士であったジョン・ニコルソン (John Nicholson) によるものであると思われる。このシステムでは、2つのシリンダーは高圧と低圧を交互に入れ替わるようになっており、この入れ替わりはストロークの途中で起きるようになっていた。2両の機関車(旅客用と貨物用1両ずつ)がこの方式に改造されたが、それ以上の使用例はなかった。
上述した機関車が厳密に言って複式であるかどうかは議論の余地がある。最初のはっきりとした機関車における複式機関の適用は、エリー鉄道のNo.122で、通常のアメリカン型機関車に1867年にタンデム式複式機関をJ.F.レイ (J.F. Lay)の特許番号70341に基づいて取り付けたものである。この機関車のその後については全く分かっておらず、おそらく同形式は製作されていないものと思われる。