Une machine à vapeur à piston est un type de moteur qui incorpore un piston cylindrique qui se déplace dans un cylindre fermé. Comme dans tous les moteurs à piston, la détente du gaz chaud est utilisée pour déplacer le piston et la force de ce mouvement est convertie, par des moyens mécaniques, pour effectuer un certain type de travail. Contrairement à un moteur à combustion interne cependant, un moteur à vapeur à piston repose sur la vapeur générée à l’extérieur du cylindre, dans une chaudière, pour déplacer le piston à l’intérieur du cylindre.
Le premier moteur de ce type a été inventé en 1690 par un inventeur et ingénieur français nommé Denis Papin. Sa simple machine à vapeur à piston monocylindre était une preuve de conception qui montrait qu’une telle machine était possible. Il fonctionnait mais n’était pas capable de répéter son action par lui-même et devait être démonté et remis à zéro après chaque cycle. Il n’avait aucun moyen de transférer le travail généré par l’action du piston mais a prouvé qu’un tel moteur était possible.
Tous les moteurs à pistons utilisent des bielles pour connecter le ou les pistons à un vilebrequin. Le vilebrequin convertit le mouvement rectiligne du piston en mouvement de rotation, qui est transféré à un mécanisme d’entraînement, comme les roues d’une locomotive ou l’hélice d’un navire. Dans la plupart des moteurs à combustion interne, les gaz chauds formés par l’allumage et la combustion du carburant ne poussent que sur un côté du piston. Dans une machine à vapeur à piston, le cylindre est souvent conçu avec une vanne coulissante, permettant à la vapeur de travailler des deux côtés du piston, en alternant d’un côté à l’autre.
Les pièces des moteurs de ce type doivent être fabriquées avec précision pour assurer un fonctionnement efficace. Les pistons et les cylindres doivent s’emboîter avec le minimum d’écart possible entre eux. Les pistons d’une machine à vapeur à piston, comme les autres moteurs à piston, sont souvent équipés d’anneaux qui agissent comme un joint haute température pour assurer une bonne étanchéité entre le piston et le cylindre, évitant les fuites, ce qui réduit l’efficacité.
De nombreux types différents de moteurs à vapeur à piston ont été développés depuis la première conception de Papin, mais toutes les diverses améliorations et variations n’ont pas changé le principe de base de l’utilisation de la vapeur pour déplacer un piston dans un cylindre pour effectuer un travail. Les moteurs à vapeur à piston ont été utilisés dans les premières locomotives ferroviaires, les moteurs de navires et même certains premiers types d’automobiles. Une série de véhicules produits par Stanley était connue sous le nom de vapeurs Stanley.