ユニフロー蒸気機関

ユニフロー型蒸気エンジンは、シリンダーの各半分で一方向にのみ流れる蒸気を使用します。シリンダーに沿って温度勾配を設けることで、熱効率が向上します。蒸気は常にシリンダーの高温端から入り、より低温の中央のポートから排出されます。これにより、シリンダー壁の相対的な加熱と冷却が軽減されます。

蒸気の流入は通常、カムシャフトによって操作されるポペット弁（内燃機関で使用されるものと同様の働きをする）によって制御される。ストロークの開始時に最小膨張量に達すると、入口弁が開いて蒸気が流入する。クランク サイクルの一定期間、蒸気が流入し、その後ポペット入口が閉じられることで、ストローク中の蒸気の膨張が継続し、ピストンが駆動される。ストロークの終わり近くで、ピストンは、シリンダーの中心の周りに放射状に配置された排気ポートのリングを露出する。これらのポートはマニホールドと配管によってコンデンサーに接続されており、チャンバー内の圧力を大気圧よりも下げて急速な排気を引き起こす。クランクの回転が続くと、ピストンが移動する。アニメーションから、ユニフロー エンジンの特徴がわかる。シリンダーのほぼ半分の長さの大きなピストン、両端のポペット入口弁、カムシャフト（その動きはドライブシャフトの動きから派生する）、中央の排気ポートのリングがある。

ユニフロー エンジンは、排気行程中に従来の「逆流」蒸気エンジンの作動シリンダと蒸気ポートの高温端を横切る比較的低温の排気蒸気を流すことなく、単一シリンダ内でより大きな膨張を潜在的に可能にします。この条件により、熱効率が向上します。排気ポートはピストン ストロークのごく一部でのみ開き、ピストンがシリンダの吸気端に向かって移動し始めた直後に排気ポートが閉じられます。排気ポートが閉じた後にシリンダ内に残っている蒸気は閉じ込められ、この閉じ込められた蒸気は戻りピストンによって圧縮されます。これは、蒸気が吸入される前にシリンダの高温端を予熱するため、熱力学的に望ましいことです。ただし、過度の圧縮のリスクがあるため、シリンダ ヘッドに小さな補助排気ポートが含まれることがよくあります。このような設計は、セミユニフロー エンジンと呼ばれます。

このタイプのエンジンは、通常、直列配置の複数のシリンダーを備え、単動式または複動式です。このタイプの特別な利点は、バルブが複数のカムシャフトの効果によって操作され、これらのカムシャフトの相対位相を変更することによって、吸入される蒸気の量を増やして低速時の高トルクを実現し、巡航速度では動作を経済的にするために蒸気の量を減らすことができることです。または、より複雑なカム面を使用する設計では、カムシャフト全体をそのフォロワと比較して縦方向にシフトすることでタイミングを変更し、吸入タイミングを変更できるようになりました。(カムシャフトは、機械式または油圧式デバイスによってシフトできます。) また、絶対位相を変更することで、エンジンの回転方向を変更できます。ユニフロー設計では、シリンダー全体の温度勾配も一定に保たれ、熱い蒸気と冷たい蒸気がシリンダーの同じ端を通過するのを防ぎます。

実際には、ユニフロー エンジンには、動作上の欠点がいくつかあります。膨張率が大きいため、シリンダーの容積が大きくなければなりません。エンジンから最大限の潜在的作業を得るには、高い往復速度が必要であり、通常は複動式カウンターフロー タイプのエンジンよりも 80% 高速です。このため、吸気バルブの開放時間が非常に短くなり、繊細な機械部品に大きな負担がかかります。発生する巨大な機械的力に耐えるために、エンジンは頑丈に作られる必要があり、蒸気圧がシリンダー内で急激に上昇および下降するときにトルクの変動を滑らかにし、重いピストンの慣性を補正するために、大きなフライホイールが必要です。シリンダー全体に温度勾配があるため、壁の金属はさまざまな程度に膨張します。このため、シリンダーのボアは、冷たい中央 (「卵形」と呼ばれることもあります) の方が熱い端よりも広く機械加工する必要があります。シリンダーが適切に加熱されなかったり、水が入ったりすると、繊細なバランスが崩れ、ストロークの途中で焼き付きが発生し、場合によっては破損するおそれがあります。

ユニフローエンジンは、1827年にイギリスでジェイコブ・パーキンスによって初めて使用され、1885年にレナード・ジェネット・トッドによって特許を取得しました。1909年にドイツのエンジニア、ヨハン・シュトゥンプフによって普及され、その1年前の1908年に最初の商用固定エンジンが製造されました。

ユニフロー原理は主に産業用発電に使用されていましたが、イギリスのいくつかの鉄道機関車にも試されました。例えば、1913年のノース・イースタン鉄道のユニフロー機関車825号、 1918年の2212号^[1]、ミッドランド鉄道のパジェット機関車などです。実験はフランス、 ^[2]、ドイツ、米国、ロシアでも行われました。 ^[1]いずれの場合も、さらなる開発に着手するほどの結果は得られませんでした。

ユニフローエンジンが初めて大規模に利用されたのは、1918年のアトキンソン蒸気貨車であった。 ^[3]現在も存在する蒸気貨車は1台のみである。1918年に製造され、オーストラリアで稼働し、放置された後、イギリスに送還され、1976年から1977年にかけてトム・ヴァーリーによって修復された。^{[4] [5]}

ユニフローエンジンの最終的な商業的進化は、1930年代後半から1940年代にかけて米国でスキナーエンジン社によって複合ウナフロー船舶用蒸気エンジンが開発されたことで起こりました。^{[1]このエンジンは}尖塔型複合構成で動作し、当時のディーゼルエンジンに近い効率を提供します。五大湖の多くのカーフェリーがこの装備を備えており、そのうちの1つである1952年のSS バジャーは現在も運航されています。歴史上最も多く使用された航空母艦の設計であるカサブランカ級護衛空母は、2基の5気筒スキナーウナフローエンジンを使用していましたが、これらは尖塔型複合ではありませんでした。非複合のスキナーユニフローは、1950年に船が再動力化されたときに取り付けられ、五大湖のセメント空母SS セントメアリーズチャレンジャーで2013年まで使用されていました。SSプリンスジョージは2基のリサイクルされた6気筒スキナーユニフローを使用していましたが、1984年に退役しました。

小型（約 1,000 馬力（750 kW）未満）では、往復蒸気エンジンは蒸気タービンよりもはるかに効率的です。ホワイト クリフス ソーラー発電所は、 「バッシュ」タイプの吸気バルブを備えた 3 気筒ユニフロー エンジンを使用して、約 25 kW の電気出力を生成しました。

単動式ユニフロー蒸気エンジンの構成は、2 ストローク内燃機関の構成に非常に似ており、点火プラグの代わりに取り付けられた「バッシュ バルブ」を介してシリンダーに蒸気を供給することで、2 ストローク エンジンをユニフロー蒸気エンジンに変換できます。^{[6]上昇するピストンがストロークの頂点に近づくと、バッシュ バルブが開き、蒸気の脈動が入ります。ピストンが下降すると、バルブは自動的に閉じ、蒸気は既存の}シリンダーポートから排出されます。その後、フライホイールの慣性により、圧縮に逆らってピストンがストロークの頂点に戻ります。これは、エンジンの元の形式と同じです。また、元のエンジンと同様に、変換は自動始動ではなく、始動するには外部電源で回転させる必要がある。このような変換の例としては、ペダルをこぐことで始動する蒸気駆動のモペットがあります。^[7]

• 高度な蒸気技術

• E. de Ville 著『熱機関を自分で学ぶ』 、The English Universities Press Limited、ロンドン、1960 年、40～41 ページ

ウィキメディア・コモンズには、ユニフロー蒸気機関に関連するメディアがあります。

• レトロテクノロジー博物館 – ユニフロー蒸気機関