三脹式蒸汽引擎與雙動式蒸汽引擎-王弘明撰

蒸汽機車的運作原理，是解說者心中念茲在茲的一塊，畢竟若不懂，又怎能跟遊客說明呢？硬背的資料，總是缺乏底氣，而且也無法解決非預期的問題，所以有不少先進勤於自我進修，花時間探尋相關資訊，在網路上看到與阿里山蒸汽機車相似的直立式蒸汽引擎，標註為三脹式(如下圖，英文維基百科)，因而懷疑Shay蒸汽引擎也是三脹式嗎？而之前曾分享過蒸汽引擎是雙動式，三脹與雙動有何不同？

答案是Shay的蒸汽引擎非三脹式，而幾乎所有的蒸汽引擎都是雙動式。三脹與雙動雖然都是描述活塞的運作方式，但其實兩者意義不同。

下圖：三脹式蒸汽引擎(維基百科)

先解釋何謂「雙動式」，用於汽車、摩托車等較常見的內燃機，多數是汽油或柴油引擎，這類引擎的動力，僅發生於活塞上方一側而已，燃料在活塞上方發生激烈燃燒，將活塞往下推而輸出動力，當活塞要由下方返回時，是依靠曲軸慣性作用及飛輪儲存的動力；也就是活塞進行一次的往復運動時，僅有上方一側輸出動力一次。

而蒸汽機則不同，在鍋爐內產生的蒸汽，會依序被送進活塞的上下兩側，當活塞進行往復運動時，兩側都有動力輸出，也就是活塞進行一次往復運動，輸出動力有兩次，因此稱為「雙動式」，詳如下圖：

至於「三脹式」蒸汽引擎，常見於船舶軍艦大型蒸汽機，進入汽缸的蒸汽，推動活塞後排出，溫度與壓力有所降低，若直接冷凝回收(船上淡水補充不易，所以蒸汽會回收，跟蒸汽機車直接排放不同。)太浪費燃料，且在海上要補充煤炭也不是很方便，因此就再增加一個汽缸，將前一個汽缸排出的蒸汽再度利用，以增加動力輸出，隨著精進改善發展成三個汽缸，分別是高壓(一次)、中壓(二次)、低壓(三次)，稱為「三脹式」，後來雖然也有四個、五個等更多汽缸的型式出現，但也都稱為「三脹式」。

若仔細觀察上圖可發現，三個汽缸的活塞面積不一樣，這是因為汽缸的出力(F)，是壓力(P)與面積(A)的乘積，F=PxA。為了讓每缸出力平均，避免曲軸受力不均勻，所以隨著壓力依次變小而增大活塞面積。

為何行駛於鐵路上的蒸汽機車，不採用這種三脹式引擎呢？因為蒸汽機運作，需考量的不僅是燃料及水而已，尚有機件潤滑、冷卻，以及保養維修成本，及因複雜構造所增加的費用等等，因此衡量得失後，Shay式蒸汽機車來自鍋爐的蒸汽，是分別送入每個汽缸，然後直接排放掉。(阿里山林鐵則發揮巧思，利用排出的蒸汽將冷水預熱)

下圖為阿里山林鐵的Shay式蒸汽機車，直立式汽缸的構造。