ユニフロー蒸気エンジン (Uniflow steam engine)

ユニフロー形式の蒸気エンジンが使用する蒸気はシリンダーの各々半分のみで一方向のみを流れるものである。多段膨張複合形式の蒸気エンジンでは、別々のシリンダーの中で、膨張を段階に分離することによって熱効率が増大されるが、ユニフロー・デザインでは熱効率はシリンダーに沿った温度勾配を持たせることによって達成される。蒸気は常にシリンダーの熱い末端で進入し、中心の冷たいポート (port, 蒸気口) から排出される。これにより、シリンダーの壁の相対的な加熱・冷却が削減される。

蒸気の進入はカムシャフト (camshaft) で操作されるポペットバルプ -- 内燃機関で使用されるものと同様に作用 -- により制御される。注入バルブが開いて蒸気を受け入れ、この時、最小の膨張体積がストロークの開始時点で達成される。クランク・サイクル中に蒸気が受け入れられ、次にポペットバルプが閉鎖されて、ストローク中に蒸気の連続した膨張を可能にし、ピストンを駆動する。ストロークの終わり近くで、シリンダーの中央付近に放射状に搭載された排気ポート (ports、蒸気口) の輪がピストンの影から表に出る。これらのポートは多岐管 (manifold) とパイプ (piping) により、コンデンサー (condenser、凝縮器) に接続され、隔室 (chamber) の圧力を大気圧よりも下げ、急激な排気を引き起こす。クランクの連続した回転はピストンを動かす。動画から、ユニフローエンジンの造作を見ることができ、大きなピストンはシリンダーの長さのほとんど半分近くあること、ポペットバルブが両端にあること、カムシャフト (この動きは駆動シャフトに由来する) と排気ポートの中央リングを見ることができる。

ユニフロー・エンジンは 1 回のシリンダーで、比較的大きな膨張を可能にし、排気ストローク中に、比較的冷たい排気蒸気が、動作中のシリンダーの熱い末端、と通常の「流れが逆になる」 ("counterflow") 蒸気エンジンのポート (蒸気口) を越えて流れることがない。この条件により、より高い熱効率が可能である。排気ポート (port、蒸気口) はピストン・ストロークの非常に短い期間中に開放され、ピストンがシリンダーの吸入側に向けて動き始めた後は閉鎖される。シリンダー内に残っている蒸気は排気ポートが閉鎖された後は捕捉され、捕捉された蒸気は復帰するピストンで圧縮される。これは熱力学的には望ましく、蒸気を入れる前にシリンダーの熱い末端を再加熱するのである。しかしながら、過度に圧縮する危険から、しばしば、小さな補助排気ポートがシリンダー・ヘッドに組み込まれている。このようなデザインは、しばしば半ユニフロー・エンジン (semi-uniform engine) と呼ばれる。

この形式のエンジンは通常、直列配置で複数のシリンダーがあり、単動式 (single acting) と複動式 (multiple acting) がある。この形式の特有の利点はバルブを複数のカムシャフト (cam shaft) で操作できることで、これらのカムシャフトの相対段階を変えることにより、吸入される蒸気量を増加して、低速・高トルクにしたり、あるいは巡航速度で (蒸気量を) 減少して、経済操業にする。あるいは、もっと複雑なカムの表面を使用するデザインにより、カムシャフト全体を縦方向にシフトして、タイミングを変化させることが可能で、吸入タイミングを変化させることが可能である。そして絶対段階を変えることにより、エンジンの回転方向を変えることが可能である。ユニフロー・デザインはシリンダー内の一定の温度勾配も維持でき、冷たい蒸気と熱い蒸気がシリンダー内の同じ末端を通過するのを避けることができる。

実際には、ユニフロー・エンジンには幾つかの操業上の欠陥がある。大きな膨張比率は大きなシリンダー体積を必要とする。このエンジンから潜在的に最大の仕事を得るためには、高い往復運動量が必要とされ、「流れが逆になる」通常の復動式エンジン (double-acting counterflow-type engine) よりは典型的には 80% 速いことが必要とされる。これにより吸入バルブの開放時間がとても短くなり、これによりデリケートな機械部品に多大な負担が生じる。遭遇する巨大な機械力に耐えるために、エンジンはどっしりと作る必要があり、トルクの変動を滑らかにするために、大きなはずみ車が必要となる。というのは蒸気圧はシリンダー内で急激に上昇・下降するからである。シリンダーに沿って温度勾配があるため、壁の金属は異なる比率で膨張する。これにより、シリンダーの内腔は熱い両端よりも冷たい中央で、より広く穴を開けることが必要となる。もしもシリンダーが正しく加熱されなかったり、水が進入することがあれば、デリケートなバランスが崩れ、ストローク中に詰まり、潜在的には破壊される。

ユニフロー・エンジンは 1827 年にジェイコブ・パーキンズ (Jacob Perkins) により始めて使用され、レオナード・ジェネット・トッド (Leonard Jennett Todd) により 1885 年に特許が取られた。これは 1909 年にドイツの技術者のヨハン・シュトゥンフ (Johann Stumpf) により一般的になった。最初の商的な固定蒸気エンジンはその前年の 1908 年に製造された。

ユニフロー原理は主に産業発電に使用されたが、イングランドの少々の鉄道機関車でも試行され、例えば　1913 年のノース・イースタン鉄道 (North Eastern Railway) のユニフロー機関車 No 825 と 1919 年の No 2212、及びミッドランド鉄道 (Midland Railway) のパジェット機関車 (Paget) がある。実験はフランス、ドイツ、米国、そしてロシアでも実施された。どの場合にも、更なる開発に着手することを奨励するものではなかった。

ユニフロー・エンジンの最初の大規模な利用は 1918 のアトキンソン (Atkinson) の蒸気ワゴンであった。

スキナー・ユニフロー・エンジン (Skinner Uniflow)

ユニフロー・エンジンの最後の商的な発展は 1930 年代と 1940 年代に米国で起き、スキナー・エンジン会社 (Skinner Engine Company) が複合ユニフロー海洋蒸気エンジン (Compound Uniflow Marine Steam Engine) を開発した。このエンジンはスティープル複合エンジン (steeple compound) の形状で動作し、当時のディーゼル・エンジンに近い効率を提供した。五大湖の多くのフェリー (car ferries) がこれを装備し、この 1 つが現在でも操業している 1952 年の SS バジャー (Badger) である。カサブランカ・クラス (Casablanca-class) の護衛空母 (escort carrier) -- 歴史上最も多産な空母のデザイン -- は 5 シリンダーのスキナー・ユニフロー・エンジン (Skinner Uniflow) を使用したが、スティープル複合エンジン (steeple compounde) ではなかった。複合エンジン (compound) ではないスキナー・ユニフロー・エンジン (Skinner Uniflow) は 2013 年まで五大湖のセメント輸送船 SS セント・メリーズ・チャレンジャー (St Marys Challenger) で就任したままであった、これは、この船が動力を変更した 1950 年に装着されていた。

小さなサイズ (1000 馬力 (750 kW) よりも小さければ)、レシプロ蒸気エンジンは蒸気タービンよりももっと効率が高い。ホワイト・クリフス太陽光発電所 (White Cliffs Solar Power Station、) は 3 シリンダーのユニフロー・エンジンで、 Bash 形式の入力バルブを持つものを使用し、およそ 25 kW の電力を生成した。

訳注

ホワイト・クリフス太陽光発電所の発電は、パラボラで太陽光を集め、これで蒸気を生成して蒸気エンジンを駆動した (1981 年、オーストラリア)。現在は太陽電池を使用している。

2 ストロークエンジンの自家製変換 (Home-made conversions of two-stroke engines)

単動式 (single-acting) のユニフロー蒸気エンジンの形状 (configuration) は 2 ストロークの内燃エンジンのものに密接に類似しており、 2 ストローク・エンジンで、点火プラグ (spark plug) のかわりに装着したバッシュ・バルブ (bash valve) を経由する蒸気をシリンダーに供給すれば、ユニフロー・エンジンに変換することが可能である。上昇するピストンがストロークの上端に近くなると、バッシュ・バルブを打って開放し、蒸気パルス (pulse、脈) を受け入れる。バルブはピストンが下降すると自動的に閉鎖し、蒸気は既存のシリンダー・ポートから排気される。はずみ車の惰性がピストンをストロークの頂上に押し戻して圧縮し、これはエンジンの元々の (変換前の) 状態と同じである。更に変換された装置 (conversion) は元々と同様に自己起動 (self-starting) することがなく、開始するために外部の力で回転しなければならない。このような変換装置の実例には蒸気動力モペッド (steam-powered moped) があり、これはペダルを踏んで開始する。