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コーリス式蒸気機関（またはコーリスエンジン）は、回転弁と可変弁タイミング機構を備えた蒸気機関で、1849年に特許を取得しました。この機関は、ロードアイランド州プロビデンスの米国人技師ジョージ・ヘンリー・コーリスによって発明され、彼の名にちなんで名付けられました。コーリスは、米国特許庁で1829年に特許を取得していたフレデリック・エルズワース・シッケルズ（1819年 - 1895年）から、この発明を引き継ぎました。
コーリス弁装置を備えたエンジンは、20世紀に単流式蒸気機関と蒸気タービンが改良されるまで、あらゆるタイプの定置式蒸気機関の中で最高の熱効率を提供しました。コーリスエンジンは、一般的に固定カットオフを備えた従来の蒸気機関よりも約30パーセント燃料効率が高かったのです。 [ 1 ]この効率の向上により、蒸気動力は水力よりも経済的になり、水車池から離れた場所での産業発展が可能になりました。[ 2 ]
コーリスエンジンは、工場や製粉所のラインシャフトに機械動力を供給したり、発電機を駆動して発電したりするための定置型エンジンとして一般的に使用されていました。多くは非常に大型で、高さは数メートルにも達し、低速ながら数百馬力の出力を発生させ、数トンもの重さの巨大なフライホイールを毎分約100回転で回転させていました。これらのエンジンの中には、機械的なレガシーシステムとして珍しい役割を担っているものもあり、比較的高い効率と低いメンテナンス要件のため、21世紀初頭まで稼働し続けているものもあります。例えば、稼働中のエンジンのリストにあるフック・ノートン醸造所とディロン蒸留所のエンジンをご覧ください。
コーリスエンジンは、各シリンダーに4つのバルブを備え、蒸気バルブと排気バルブは両端に配置されています。コーリスエンジンは、バルブ自体とバルブ機構（バルブを操作する連結機構）の両方に、独自の改良が加えられています。
蒸気吸入弁と排気弁を別々に用いることで、動力サイクルと排気サイクル中に弁自体やシリンダーと弁間の蒸気通路の温度変化を回避でき、吸入弁と排気弁のタイミングを個別に制御することが可能になります。これに対し、従来の蒸気機関では、シリンダーの両端への通路を通して蒸気を交互に吸入・排出するスライド弁またはピストン弁が用いられています。これらの通路は機関の運転中に大きな温度変化にさらされ、弁機構内部には大きな温度勾配が生じます。
クラーク（1891）は、コーリスギアは「シリンダーとバルブギアに影響を与える、これまで別々に知られて使用されてきた要素の基本的な組み合わせである」と述べている。[ 3 ]コーリスギアの起源は、以前の蒸気バルブギアに関してイングリス（1868）によってたどられた。[ 4 ]
ジョージ・コーリスは、1849年3月10日にバルブ機構に関する米国特許第6,162号を取得しました。この特許は、単一の偏心機構からエンジンの4つのバルブにバルブの動きを伝えるためのリストプレートの使用と、コーリスエンジンの特徴であるガバナー制御による可変カットオフ付きトリップバルブの使用を対象としていました。[ 5 ]後期のエンジンのほとんどが水平型であったのとは異なり、この特許は垂直シリンダービームエンジンについて説明しており、シリンダーの両端で吸気と排気に個別のスライドバルブを使用していました。
吸気バルブは偏心爪によって引き開かれ、爪が作動すると、急速な閉鎖はダンパーによって減衰される。多くのエンジンでは、同じダンパーが真空スプリングとして機能し、バルブを閉じさせるが、コーリスの初期のエンジンは回転速度が遅かったため、ダンパーのピストンとロッドの重量によってバルブが閉じられていた。
コーリスエンジンの回転速度は、各動力行程における蒸気の遮断量を変化させることで制御され、スロットルは常に全開状態に保たれます。これを実現するために、遠心ガバナーは吸気弁ごとに1つずつ、計2つのカムに連動しています。これらのカムは、ピストン行程中のどの時点でラチェットが解放され、その弁が閉じるかを決定します。
As with all steam engines where the cutoff can be regulated, the virtue of doing so lies in the fact that most of the power stroke is powered by the expansion of steam in the cylinder after the admission valve has closed. This comes far closer to the ideal Carnot cycle than is possible with an engine where the admission valve is open for the length of the power stroke and speed is regulated by a throttle valve.
The Corliss valve gearing allowed more uniform speed and better response to load changes, making it suitable for applications like rolling mills and spinning, and greatly expanding its use in manufacturing.[6][7]
Corliss valves open directly into the cylinder. The valves connect the cylinder to separate steam and exhaust plenums. Initially, Corliss used slide valves with linear actuators, but by 1851, Corliss had shifted to semi-rotary valve actuators, as documented in U.S. Patent 8253.[8] In this engine, the wrist plate was moved to the center of the cylinder side, as on later Corliss engines. This was still a beam engine, however, and the semi-rotary valve actuators operated linear slide valves inside the four valve chests of the engine.
Corliss valves are in the form of a minor circular segment, rotating inside a cylindrical valve-face. Their actuating mechanism is off along the axis of the valve, thus they have little "dead space" such as the stem of a poppet valve and the entire port area can be used efficiently for gas flow.
As the area of a Corliss valve is small compared to the port area, the effects of gas flow generate relatively little torque on the valve axle compared to some other sorts of valve. These advantages have led to the Corliss form of valve being used in other roles, apart from steam engines with Corliss gear.
The Rolls-Royce Merlin aero-engine used a rectangular butterfly valve as a throttle. Gas-flow forces acting asymmetrically on this butterfly could lead to poor control of the power in some circumstances. Late models, from the 134, used a Corliss throttle valve instead to avoid this problem.[9]
大型コーリスエンジンの共通の特徴は、フライホイールのリムに1組または2組の狭い歯車があることです。[ 10 ]これらの歯により、フライホイールをバールで回すことができます。[ 11] これは、例えばカットオフバルブと吸気バルブのタイミングを設定する ためにエンジンのメンテナンス中に必要になる場合があり、エンジンの始動時にも必要になる場合があります。
始動時にエンジンを固定する必要性は、単気筒エンジンで最も顕著に現れる。不注意なエンジンオペレーターは、ピストンが上死点付近にある状態でエンジンを停止させてしまう可能性があるからだ。この状態でエンジンが停止してしまうと、自力で始動することはできないため、始動に適した位置まで固定する必要がある。
大型コーリスエンジンは冷えた状態では安全に始動できないため、シリンダーの両側に低圧蒸気を送り込んで金属部品を温めるのが一般的です。この過程でエンジンをゆっくり回転させることで、エンジン全体が均一に温められ、動力を加える前に機構全体にオイルが均一に行き渡ることが保証されます。[ 12 ]また、このためにバーリングが使用されることもありますが、オペレーターがバルブを慎重に手動で操作して行う場合もあります。[ 13 ]
大型エンジンでは、人力によるバーリングは非常に困難なため、バーリングエンジンがよく設置されます。[ 14 ] これらは、フライホイールの歯に噛み合うようにギアの歯が切削された小型エンジンです。一般的に、バーリングエンジンの駆動ギアは、バーリングギアが噛み合っている間にエンジンが自力で回転し始めると自動的に切り離されるように設計されています。
コーリス蒸気機関会社は、もともと1830年代にはフェアバンクス、クラーク＆カンパニーとして知られていました。1843年にエドワード・バンクロフトが入社した際にフェアバンクス、バンクロフト＆カンパニーに改名されました。1846年にはジョージ・H・コーリスが入社した際にバンクロフト、ナイチンゲール＆カンパニーに改名され、1847年にはコーリス、ナイチンゲール＆カンパニーに改名されました。1848年、同社はロードアイランド州プロビデンスのチャールズストリート鉄道踏切に移転しました。
1857年、同社は最終的にコーリス蒸気機関会社と改名された。1864年までにコーリスは共同経営者から株式を買い取り、同社の単独所有者となった。
1859年までに、現在コーリスエンジンとして知られるものの主要な特徴はすべて揃いました。コーリスや他の発明家に付与された特許には、シリンダーと一直線上に並んだ回転弁とクランクシャフトが組み込まれていました。例えば、1859年7月5日に付与されたコーリスの米国特許第24,618号を参照してください。[ 15 ]競合する発明家たちは、コーリスの機構に代わるものを発明するために懸命に努力しました。彼らは一般的にコーリスが使用したリストプレートの使用を避け、1858年3月16日に付与されたジェイミソンの米国特許第19,640号のように、蒸気弁の代替解放機構を採用しました。[ 16 ]
コーリスの1849年の特許は1870年に失効したが、この特許の有効期間は1851年5月13日の米国特許再発行200号、および1859年7月12日の米国特許再発行758号と763号によって延長されていた。B . ヒック・アンド・サン社は1864年頃に初めて英国にコーリスエンジンを導入した。1870年以降、他の多くの企業がコーリスエンジンの製造を開始した。その中には、ウィリアム・A・ハリス蒸気機関会社[ 17 ] 、ワージントンポンプ・アンド・マシナリー社[ 18 ]、およびアリス・チャルマーズ社[ 19 ]などがある。一般的に、これらの機械は誰が製造したかに関わらず、コーリスエンジンと呼ばれていた。
1895年、同社は80万ドルの負債を抱えて閉鎖され、1900年には実業家ジョセフ・H・ホードリーが経営するインターナショナル・パワー・カンパニーに売却された。[ 20 ] 1905年にはホードリーの別の会社であるアメリカン＆ブリティッシュ・マニュファクチャリング・コーポレーションに譲渡された。
1925年、同社はフランクリン・マシン・カンパニーに合併した。当時、フランクリン・マシン・カンパニーはすでにウィリアム・A・ハリス蒸気機関会社の傘下にあった。
2024年現在オリジナルのスライドバルブ機構を備えたエンジンは、現在も約6基現存しており、そのうちの1基はマサチューセッツ州デダムのマザーブルック沿いのサウスストーンミルドライブ7番地にある。[ 21 ]
コーリス・センテニアル・エンジンは、1876年にフィラデルフィアで開催されたアメリカ合衆国建国100周年記念博覧会において、全長1マイル（約1.6キロメートル）を超えるシャフトを通して、ほぼすべての展示物に動力を供給した、特別に設計された包括的な回転ビームエンジンであった。ユリシーズ・S・グラント大統領とブラジル皇帝ペドロ2世によって点火されたこのエンジンは、博覧会期間中、一般公開された。
エンジンは、2 つのシリンダーが横並びに配置された構成でした。各シリンダーのボアは44 インチ (112 cm)、ストロークは10 フィート (3.0 m)でした。センテニアル エンジンは高さ45 フィート (14 m) 、直径30 フィート (9.1 m)のフライホイールを備え、 1,400馬力(1,000 kW)を発生しました。博覧会の後、エンジンは分解され、プロビデンスのコーリスの工場に送り返されました。7 年後、エンジンは売却され、1910 年までジョージ プルマンが所有するシカゴの工場で動力として使用され、 [ 22 ]その後スクラップとして売却されました。[ 23 ]
このエンジンは文化的な象徴となり、現代の多くの歴史家にとって、コーリスエンジン（またはコーリス蒸気エンジン）という用語は、コーリス弁装置を備えた広範な種類のエンジンではなく、この特定のエンジンを指すようになった。[ 24 ]
