兩缸型與多缸型蒸汽機車 3-4 cylinder steam locomotive
本文取材自 世界的蒸汽火車 交通科學技術博物館 數位資料庫
本文沿續自 Steam loco. valve operation
在蒸汽機車分類學上，兩缸型與多缸型蒸汽機車，是比較複雜進階的分類。
2 cylinder steam locomotive 兩缸型蒸汽機車就是傳統的形式，火車左右各一個汽缸，車輪左右相差90度，實用簡單，世界上絕大多數都是這一類兩缸型的蒸汽機車。
https://www.youtube.com/watch?v=ql4tj1GU7-Q
2 Cylinder Walschaerts Valve Gear Animation
2 cylinder steam locomotive 兩缸型蒸汽機車
不過，隨著過熱式的鍋爐被發明，鍋爐送出的水蒸汽，不再只是一大氣壓100度，而是溫度將近200度每平方公分16公斤的高壓蒸汽。如此用於兩缸型蒸汽機車，只推動一次活塞，就從煙囪被排入大氣，水蒸汽的餘熱與餘壓都還不少，這樣會不會太浪費了?
於是，工程師們開始想到一個熱效率更高的方法，就是複式汽缸Compound steam engine，水蒸汽從一個汽缸輸出，送到另外一個汽缸再使用，多利用幾次再從煙囪排出去，如此一來循環再利用，熱效率提高，可以節省水蒸汽。複式汽缸一開始適用於高速船舶，後來運用於蒸汽機車，這就是複式汽缸蒸汽機車的由來。
然而，複式汽缸蒸汽機車，一開始設計只有兩缸2 cylinder steam locomotive，但是循環再利用，兩缸實在不夠，應可增加汽缸數，這就後來是3 cylinder steam locomotive 三缸型蒸汽機車，與4 cylinder steam locomotive 四缸型蒸汽機車的由來。從此複式汽缸的火車，變成火車界的貴族，當然汽缸熱效率提高，用高壓水蒸汽才能帶動，也能帶動高速客運用蒸汽機車。德國的蒸汽機車S3/6，Württemberg Class C (DRG Class 18.1)，就是四缸型蒸汽機車。
此外，為了讓三缸型蒸汽機車可以運作，框架裡面動輪中間的軸承，多了一個曲柄，驅動第三汽缸，加上動輪外側原有的曲柄軸，合計有三個曲柄軸。若是四缸型蒸汽機車，動輪中間的軸承多了兩個曲柄，加上動輪外側原有的曲柄軸，合計四個曲柄軸。這樣下來曲柄軸太多了，軸承與曲柄的精確度得提高，不若兩缸型蒸汽機車，車輪相差90度如此簡單，多缸型蒸汽機車的保養與維修，變成一個大工程。
https://www.youtube.com/watch?v=W2BLTpmB4VY
3 cylinder steam locomotive 三缸型蒸汽機車。
例如日本的蒸汽火車C53型，英國的蒸汽機車LNER Class A4，德國的蒸汽機車BR44，就是三缸型蒸汽機車。
此外，為了讓三缸型蒸汽機車可以運作，框架裡面動輪中間的軸承，多了一個曲柄，驅動第三汽缸，加上動輪外側原有的曲柄軸，合計有三個曲柄軸。上圖是德國的蒸汽機車BR44，動輪中間的軸承，多了一個曲柄。
德國的蒸汽機車 S3/6 四缸型蒸汽機車，左右有兩汽缸(低壓缸)，中間還有兩汽缸(高壓缸)。
德國的蒸汽機車 S3/6 與 Württemberg Class C (DRG Class 18.1)，就是複式汽缸四缸型蒸汽機車。
https://www.youtube.com/watch?v=r4kN5GKCjNM
4 Cylinder Walschaerts Valve Gear Animation
還有，複式汽缸從注入蒸汽到排出，高壓變成低壓，高壓缸與低壓缸必須不同，低壓缸汽缸活塞的直徑得變大，蒸汽火車變得不容易維修，變成了維修工人的惡夢。三缸型複式汽缸蒸汽機車，還得分配高壓缸與低壓缸1:2還是2:1，配比不穩定問題叢生，四缸型複式汽缸蒸汽機車，分配高壓缸與低壓缸2:2，一內一外，Mallet就一前一後，整個配比才穩定下來。
由於維修成本居高不下，大勢所趨，所以，除了少數指標性與實驗性的蒸汽火車之外，全球還是以生產單式汽缸型蒸汽機車為主。因此，這也使得後期多缸型蒸汽機車的發展，並非複式汽缸，例如 Geared steam locomotive 阿里山鐵路的Shay class B，美國鐵路的Shay class C直立式汽缸火車，都是三缸型「單式汽缸」蒸汽機車。又如日本的蒸汽機車C53型，德國的BR44型，英國的蒸汽機車LNER Class A4，也是三缸型「單式汽缸」蒸汽機車。這也說明了後來「多缸型」與複式汽缸蒸汽機車，兩者各自發展，分道揚鑣，如對照表所示。
多缸型與複式汽缸蒸汽機車對照表
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單式汽缸(高壓) |
複式汽缸(高低壓) |
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2 cylinder汽缸 |
絕大多數蒸汽火車使用 |
Vauclain compound 蒸汽火車 |
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3 vertical cylinder 直立式汽缸 |
阿里山鐵路Shay class B 美國鐵路的Shay class C |
高速船舶使用 |
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3 cylinder 汽缸 |
英國的蒸汽火車 LNER Class A4 德國的蒸汽火車 BR44型 日本的蒸汽火車 C53型 |
英國 LMS 4P Compound 4-4-0 愛爾蘭 Great Northern Railway V class |
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4 cylinder 汽缸 |
美國Mallet 4-6-6-4 Challenger 美國Mallet 4-8-8-4 Big Boy |
德國的 S3/6，BR96型 美國Mallet 2-8-8-2 N&W Y6 |
複式汽缸蒸汽機車UIC分類會註明 v: compound (德文German: Verbund)。例如 英國的蒸汽機車LMS 4P Compound 4-4-0，UIC分類就是2’Bh3v 過熱式3缸。而德國的蒸汽機車Württemberg Class C，UIC分類就是2’C1’h4v過熱式4缸。如今都是珍貴的文化資產。
特別補充說明的是，關節式的蒸汽機車 Articulated steam locomotive，Mallet 也會用 到複式汽缸，共有四缸，例如Mallet USRA 2-8-8-2， Norfolk & Western Y6 class，學名為Compound Mallet。不過，二十世紀中葉以後，由於人類製造鍋爐的技術成熟，高壓水蒸汽的產生不再匱乏，節省水蒸汽不再是重點，加上複式汽缸本身的問題，後期該類Mallet蒸汽火車不再使用複式汽缸，而是使用單式汽缸，前面的汽缸與後面的汽缸一樣大，缺點是消耗蒸汽量很大，優點是產生更大的牽引力。例如知名的Mallet USRA 4-6-6-4 Challenger，與 Mallet USRA 4-8-8-4 Big Boy就是最好的例子。(參閱Mallet locomotive)
兩缸VS多缸型蒸汽機車，單式VS複式汽缸蒸汽機車，縱橫的組合，多元的面貌，成為人類蒸汽機車史上最複雜的研究課題。
延伸閱讀 交通科學技術博物館 數位資料庫 世界蒸汽機車分類學