蒸気機関車
給水加熱器を、使用済蒸気と共にボイラーからの燃焼ガスも利用するよう強化し、給水の温度を高めることで、熱効率の向上を図ったもの。
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。
フランスでは技師たちの努力により、個々の性能ではディーゼル機関車どころか、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か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。
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)。
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。
機構が簡単だが調整が難しく、雑な調整ではうまく走れない。したがって、修理作業に熟練を要する。もっとも工作精度の点では内燃機関よりも低くとも問題なく、むしろ一定以上の高精度で組み立てると動作しない場合すらある。
電気機関車やディーゼル機関車より燃費効率が悪く、牽引力も弱い。蒸気機関車の熱効率は10%程度といわれ、ディーゼル機関車の熱効率35%程度に比べてかなり劣る
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(2135 - 2440mm)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 (1067mm) では1954年に日本のC62形17号機が129km/hを記録し、標準軌 (1435mm) では1936年にドイツの05形が、1938年にイギリスのLNER A4がそれぞれ時速200kmをわずかに超えた速度を記録している。
その反省を受けたアーサー・ペパコーン(Arthur Peppercorn)の設計でも依然として問題は残り、結局21世紀の技術で設計製造されたA1 60163トルネードすらこれらの欠陥を解決する至っていない。イギリスの交通を研究する歴史協会は実用機関車としては通常の2気筒のほうがはるかに優れていたと結論を出している。
燃料事情から複式4気筒機を積極的に導入していたフランスも複式4気筒機は運転が難しいため制約が余りにも多いことが問題となった。1日の平均走行距離は1945年に約75kmと終戦直後の日本の鉄道省が走らせていた約150kmの半分しか動いていなかった。戦前から非効率な状況を改善しようとする大規模な試験も行われたが、陳腐で新しい体制に適応できない設計によって造られた機関車のため概して失敗に終わっている。戦後に1918年より製造が開始されたライトミカド型を基にした2気筒機の141R形を導入するとこれまでのフランス機が持ちえなかった人間工学を備え運転や整備がしやすい卓越した機関車と評された。凡庸な人員でも交代で運行が可能になったことでSNCFに3気筒・4気筒では不可能であった革新をもたらし、歴史的遺産として最多の4両が保存されている。
ギアードロコでは、ボイラー脇にシリンダーを垂直にむき出しに並べた、インライン(直列)配置が一般的で、整備性の問題がないことからこのタイプの3気筒は特例的にアメリカでも使用され続けた。
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。
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。