Silniki proste (z jednostopniowym rozprężaniem pary)
Są to silniki, w których para rozpręża się w cylindrze tylko raz, i gdy
przesunąwszy tłok wykona swą pracę (ochładzjąc się jednocześnie) usuwana jest
przez zawór wylotowy do dymnicy, a stamtąd do atmosfery. Zanim uleci przez
komin zdąży jeszcze tylko wytworzyć ciąg zasysając gazy spalinowe ze skrzyni
ogniowej. Silniki takie były najczęściej stosowane, jako najprostsze w budowie,
łatwe w obsłudze i konserwacji. Stosowano warianty dwu- trzy- i czterocylindrowe.
Wadą tych silników jest to, że znaczna część energii pary jest marnowana. Nie można bowiem zbytnio rozprężyć pary w jednym suwie tłoka, gdyż powoduje to znaczne ochłodzenie całego cylindra i w konsekwencji gorąca para doprowadzona do niego w następnym suwie traci część swej energii na podgrzanie cylindra. W silnikach zasilanych parą nasyconą dochodziło często nawet do kondensacji czyli skroplenia pary wpadającej do cylindra, co powodowało spadek jej użytecznej energii do zera. Częściowo można temu zjawisku zaradzić stosując wynalazek Jakóba Watta: umieścić cylinder w otulinie parowej, dzięki czemu się tak szybko nie schładza. Drugim i najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest stosowanie przegrzewacza, dzięki któremu para wpadająca do cylindra jest przegrzana, a więc ma temperaturę dużo wyższą od punktu kondensacji. Nie eliminuje to jednak strat związanych z tym, że para opuszczająca cylinder ma jeszcze dużo enargii, która idzie w komin.
Silnik bliźniaczy (dwucylindrowy)
Dwa jednakowe cylindry, z reguły umieszczone na zewnątrz ostoi, jeden z
jednej, drugi z drugiej strony lokomotywy. Mechanizm rozrządu pary jest w tym
przypadku identyczny dla obu cylindrów. Dzięki umieszczeniu cylindrów na
zewnątrz dostęp do nich jest łatwy, a więc silnik jest tani w obsłudze. Z
rozruchem nie ma problemu, gdyż trzony tłoków są połączone do korb na osi
napędnej z przesunięciem fazowym 90° co powoduje, że gdy tłok jednego
cylindra jest w martwym punkcie, drugi nigdy nie jest, więc moment rozruchowy
istnieje w każdym położeniu silnika. Zarówno konstrukcja jak i konserwacja
tych silników jest łatwa i tania, były więc najczęściej stosowanymi w parowozach.
Silniki sprzężone (z wielostopnowym rozprężaniem pary)
Chcąc wykorzystać energię pary nie do końca schłodzonej i rozprężonej po
przesunięciu tłoka w cylindrze (wykonaniu pracy) skonstruowano silniki sprzężone.
Silnik taki posiada minimum dwa cylindry, z reguły umieszczone na zewnątrz ostoi.
Para po wstępnym rozprężeniu w pierwszym cylindrze (wysokociśnienniowym) jest
doprowadzona do drugiego (niskociśnieniowego), gdzie rozpręża się dalej -
przesuwając jego tłok (wykonując pracę) i jest odprowadzana do dymnicy. Aby
zapewnić równomierną pracę zaworów suwakowych obu cylindrów, cylinder niskociśnieniowy
musi być odpowiednio większy, co można uzyskać poprzez zwiększenie jego
średnicy i/lub długości (czyli skoku tłoka).
Jeżeli ten drugi cylinder ma napędzać tę samą oś lokomotywy to skok jego tłoka powinien być taki sam jak pierwszego, pozostaje więc zwiększenie średnicy. Cylinder wysokociśnieniowy ma mniejszą średnicę, a niskociśnieniowy większą (odpowiednio do spadku ciśnienia w wysokociśnieniowym), tak, aby siła działająca na tłok była w obu cylindrach podobna (F=p x S: siła jest iloczynem ciśnienia i powierzchni tłoka). Stosunek objętości cylindra wysokociśnieniwego do niskociśnieniowego wynosi zwykle 1:2¼. W silnikach z rozrządem pary przy pomocy zaworów grzybkowych poruszanych krzywkami (Lenza, Caprottiego) nie trzeba zapewniać równomierności pracy zaworów, więc wielkość obu cylindrów może być taka sama, przy zwiększonej szybkości pracy zaworów cylindra niskociśnieniowego.
W przypadku zastosowania standardowego rozrządu pary z zaworami suwakowymi, (np. Stephensona) pojawia się problem z rozruchem, gdyż w silniku prostym (np. bliźniaczym) jeżeli nawet tłok jednego z cylindrów jest w położeniu martwym, to tłok drugiego cylindra nie jest i silnik posiada zawsze moment rozruchowy. Natomiast w silniku sprzężonym, jeżeli akurat tłok cylindra wysokociśnieniowego jest w położeniu martwym, to silnik nie ma momentu rozruchowego, bo cylinder niskociśnieniowy jest zasilany parą nie wprost z kotła, ale z cylindra wysokociśnieniowego (który pechowo ustawił się w położeniu martwym i ani drgnie). Rozwiązaniem jest dodatkowy zawór, którym na czas rozruchu para podawana jest wprost z kotła do cylidra niskociśnieniowego. Dopiero po kilku obrotach kół maszynista zamyka ten zawór, równocześnie za pomocą innego zaworu otwiera dopływ pary do cylindra niskociśnieniowego z wysokociśnieniowego. Również w przypadku podjazdów pod strome wzniesienia można w ten sposób zwiększyć moc silnika doprowadzając parę wprost z kotła do obu cylindrów, tak jak podczas rozruchu.
Zasadniczo termin "silnik sprzężony" odnosi się do sytuacji gdzie para rozprężana jest dwustopniowo, jest on jednak stosowany szerzej. Budowano bowiem silniki, w których para rozprężana była trój-, a nawet czterostopniowo i choć nie stosowano ich w lokomotywch prawie w ogóle, to były popularne na przełomie IXX i XX wieku na statkach parowych.
Podstawową zaletą silnika sprzężonego jest zwiększenie sprawności, czyli zmniejszenie zużycia węgla i wody przy jednoczesnym zwiększeniu mocy dzięki temu, że para rozpręża się i ochładza w dłuższym cyklu. Dodatkową zaletą jest równy chód silnika, co umożliwia osiąganie większych prędkości i powoduje mniejsze zużycie szyn. Silniki te stosowano więc w lokomotywach przeznaczonych do pracy w terenach górskich, o dużym nachyleniu zboczy i słabym torowisku.
Główną wadą silników sprzężonych jest ich skomplikowana budowa, co się z kolei wiąże z koniecznością znacznie większej dbałości o nie i wymaga dużej staranności i kwalifikacji od obsługi. W szczególności dotyczy to lokomotyw dwu- i wieloczłonowych, gdzie dodatkowe trudności sprawia uszczelnienie giętkiego połączenia przewodu z parą.
Pod koniec IXX i na początku XX wieku wiele prób zastosowania tych silników w lokomotywach nie powiodło się, gdyż wymagają one od konstruktora bardzo starannego zaprojektowania przepływu pary, która ma tendencję do szybkiego wychładzania się przepływając przez długi przewód doprowadzający ją z jednego cylindra do drugiego, co często prowadziło do kondensacji pary i straty całej mocy. Dotyczy to szczególnie silników na parę nasyconą, gdzie temperatura pary dostarczonej do cylindra wysokociśnieniowego jest znacznie niższa niż w przypadku pary przegrzanej. Bardzo dobre rezultaty w dziedzinie konstrukcji silników sprzężonych osiągał Andrzej Chapelon w latach trzydziestych XX wieku. Potrafił on tanim sposobem drastycznie podnieść sprawność maszyn produkowanych na początku wieku powiekszając nieznacznie przegrzewacz (co podnosiło temperaturę poczatkową pary), stosując cylindry w otulinie parowej i przegrzewanie wtórne. Cylinder znajdując się w otulinie parowej wychładzał parę znacznie wolniej, a para opuszczająca cylinder wysokociśnieniowy trafiała z powrotem do przegrzewacza, który ją podgrzewał i stąd dopiero do cylindra niskociśnieniowego.
