JP7171049B2 - 金属ガスケット - Google Patents

Description

本発明は、自動車用等の内燃機関（エンジン）におけるシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に装着されて、燃焼ガスのリーク及び冷却水や潤滑油等の液体のリークを防止する金属ガスケットに関する。

自動車用等の内燃機関におけるシリンダヘッドとシリンダブロックとの間には金属ガスケットが装着され、シリンダボア孔からの高圧の燃焼ガスのリークを防止するとともに、冷却水孔や潤滑油孔等の液体孔からの冷却水や潤滑油（オイル）等の液体のリークを防止するようにしている。

このような金属ガスケットとしては、弾性金属板を素材とした金属基板に、シリンダボア孔を単独に囲繞するフルビードと、冷却水、オイル等の液体孔を囲繞するハーフビードを設けた構成のものが知られている。また、上記金属ガスケットにおいては、金属同士の直接的な接触を避けて接合面のシール性を高めるために、弾性金属板の外表面にラバー等のシール材を塗布した金属基板が用いられている。

例えば特許文献１には、図１０に示すように、シリンダボア孔シール用のフルビード１６と液体孔シール用のハーフビード１７とを備えた１枚の金属基板２を有する金属ガスケット１００であって、シリンダボア孔側のフルビード１６に、金属基板２より板厚が薄い金属板をあてがって段差調整板３とし、この金属基板２と段差調整板３を同時にランスロックと称される方法でカシメ固定（カシメ部１５）し、フルビード１６側とハーフビード１７側との板厚を相違させるようにした金属ガスケット１００が記載されている。

この金属ガスケット１００によれば、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に金属ガスケットを装着して締付ボルトで締付けた時に、ハーフビード１７側よりも段差調整板３が重ねられたフルビード１６側により大きな締付け力を加えることができる。そのため、フルビード１６の面圧をハーフビード１７の面圧よりも大幅に高め、加えてフルビード１６の圧縮効果を促進することができるので、燃焼ガスのリークに対するシール性能を高めることができる。また、金属ガスケットのハーフビード１７側を金属基板１枚のみの構成とすることができるので、燃焼ガスに対するシール性能を高めつつ、エンジン設計面から要求される計量化及び熱伝導性の向上やコストダウン等を図ることができる。

また、特許文献２には、長期間の使用によって金属板からシール材等が剥離し、当該シール材等が冷却水とともに循環してサーモスタットやラジエータ等に付着するといった問題を回避するために、ウォータジャケット部域のシール材を事前に剥離しておく内容が記載されている。

特開２０１８－１３５８２３号公報 特開昭６４－０７３１５６号公報

ところで、特許文献１に記載されるような従来の金属ガスケット１００をシリンダブロック及びシリンダヘッド間で締め付けると、段差調整板３に設けたフルビード１６がシリンダライナ上面部を強く押圧することになるので、シリンダブロック内のシリンダライナ上面側の面圧が大きくなる。また、締付ボルトの近傍部は他に比して大きな締付力が加わるために変形し易く、一方締付ボルトから離間した部分には比較的、締付力が加わり難いため変形が生じ難い。こうした変形はシリンダライナの真円度を悪化させ、ピストンの摺動に伴う摺動抵抗の増大を招き、内燃機関の出力低下や制限、オイル消費やブローバイガスの増大、摩擦損失の増大、ピストン打音が大きくなる等の一因となる。そのため、シリンダライナの変形を最小限にしながら、燃焼ガスのシール性能を維持する観点から段差調整板３の板厚選定が重要であり、通常は板厚ｔが０．０５ｍｍ～０．１ｍｍ程度のＳＵＳ材等の金属箔が用いられている。

しかしながら、自動車用等のエンジンは、稼働と停止が頻繁に繰り返されるために温度変化が大きく、エンジン本体は熱膨張、冷間収縮を繰り返している。そして、シリンダヘッドとシリンダブロック間に装着されているシリンダヘッドガスケット（金属ガスケット）は、上記冷熱サイクルによるエンジンの膨張及び収縮の影響を直接受けるため、ランスロックによるカシメ部の亀裂、及び段差調整板の脱落又は部分的なズレ等の発生を防止する必要がある。すなわち、燃焼ガスシールの安定化及び長期的な重要補償の一つであるが、上述したように段差調整板の板厚ｔは０．０５ｍｍ～０．１ｍｍ程度の金属箔が使用されており、段差調整板の脱落やズレが発生し易いものであった。

また、上記のような状況下で、金属板に塗布したラバー等のシール材が、冷熱サイクルを受ける冷却水に長期間に渡って曝されると、特に冷却水の流れが激しいシリンダブロック側はシール材の一部が金属板表面から剥離する虞があり、それが冷却水とともに循環してサーモスタットやラジエータ等に付着するといった問題がある。これらの問題を回避するため、特許文献２のように、ウォータジャケット部域のシール材を事前に剥離する工程を行っていたが、工程の煩雑さからこうした工程は除くことが望ましかった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の稼働と停止が頻繁に繰り返されることで生じる冷熱環境下でも、段差調整板の変形、ずれ、及びクラックが発生せず、また、金属板に塗布されたシール材の剥離及び膨れも抑制することができる金属ガスケットを提供することにある。

本発明の金属ガスケットは、内燃機関におけるシリンダヘッドとシリンダブロックの間に装着して用いられ、前記シリンダヘッドのウォータジャケットと前記シリンダブロックのウォータジャケットとを連通させる冷却水孔を有する金属ガスケットであって、
３枚重ねた状態で共にカシメ固定された金属基板、段差調整板、及び補強板を備え、
前記カシメ固定により形成されるカシメ部が、前記金属基板側から前記補強板側に向けて突き出す様態であり、
前記金属基板には、前記冷却水孔をシールするためのハーフビードが設けられており、
前記金属基板と前記補強板に挟まれた前記段差調整板における少なくとも前記補強板側の面にはシール材が塗布されており、
金属ガスケットを前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックの間に装着した状態で、前記補強板が前記シリンダブロックのウォータジャケットの内側に収まるように構成されており、
前記段差調整板には、前記金属基板に形成されたシリンダボア孔と同一形状のシリンダボア孔が形成されており、
前記段差調整板は、金属ガスケットを前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックの間に装着した状態で、該段差調整板の外周縁部が前記シリンダブロックのウォータジャケットの内側に収まるように構成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、内燃機関の稼働と停止が頻繁に繰り返されることで生じる冷熱環境下でも、段差調整板の変形、ずれ、及びクラックが発生せず、また、金属板に塗布されたシール材の剥離及び膨れも抑制することができる金属ガスケットを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る金属ガスケットの平面図である。 図１の金属ガスケットのＡ－Ａ線における断面図である。 図２に示すウォータジャケットの溝とカシメ部の関係を表した断面図である。 図１のＢ－Ｂ線における金属ガスケットの断面と、ウォータジャケットの溝との関係を表した断面図である。 図４におけるウォータジャケットの溝とシール材の塗布位置と、シール材剥離防止の関係の概要を表した締付時の断面図である。 比較例の金属ガスケットにおける、図１のＢ－Ｂ線に相当する締付時の概要を表した断面図である。 図１の金属ガスケットにおける補強板を単独で示す平面図である。 図１の金属ガスケットにおける段差調整板を単独で示す平面図である。 本発明の他の実施形態に係る金属ガスケットの、図１のＡ－Ａ線に相当する断面を表す断面図である。 比較例の金属ガスケットにおける、図１のＢ－Ｂ線に相当する断面を表す断面図である。

以下、図面を参照して、本発明をより具体的に例示説明する。図１は、本発明の一実施形態としての金属ガスケット１を示す平面図である。金属ガスケット１は、金属製のシリンダヘッドガスケットである。金属ガスケット１は、図３、４等に示すように、内燃機関のシリンダヘッド２１とシリンダブロック２２との間に挟まれるように装着されて、燃焼ガス、並びに冷却水及び潤滑油（オイル）等の液体のリーク（漏出）を防止するためのものである。

金属ガスケット１は、図１、及びそのＡ－Ａ線に沿った断面図である図２に示すように、１枚の金属基板２、１枚の段差調整板３、及び１枚の補強板４を備える。金属ガスケット１において、フルビード１６を形成する部分は、金属基板２及び段差調整板３からなる２枚重ねの構成とし、ハーフビード１７を形成する部分は金属基板２のみの構成とし、ウォータジャケット２３、２４の領域に配置される冷却水孔１１が形成される部分は、金属基板２、段差調整板３及び補強板４の３枚重ねの構成としている。金属ガスケット１は、ランスロックと称されるプレス手法のカシメ固定によって、金属基板２、段差調整板３及び補強板４が、３枚同時に固定された構造となっている。カシメ固定により形成されるカシメ部１５は、金属基板２側から補強板４側に向けて突き出す様態である。金属ガスケット１のカシメ部１５は、シリンダヘッド２１側からシリンダブロック２２側のウォータジャケット２４溝内に突き出す様態である（図３参照）。図１に示すように、金属ガスケット１は、シリンダボア孔１０、冷却水孔１１、オイル孔１２、カムチェーン通過用のチャンバ孔１３、締付ボルト孔１４を有する。なお、冷却水孔１１は、金属基板２、段差調整板３、及び補強板４を全て貫通している。

金属基板２には、シリンダボア孔１０、冷却水孔１１、オイル孔１２、カムチェーン通過用のチャンバ孔１３、締付ボルト孔１４が形成されている。また金属基板２には、シリンダボア孔１０をシールするためのフルビード１６と、冷却水孔１１をシールするための１本で構成されたハーフビード１７と、オイル孔１２及びチャンバ孔１３用のハーフビード１７とが設けられている。金属基板２は、弾性金属板としての板厚ｔが０．２０ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０１Ｈ－ＣＳＰ）に、ニトリロゴム（ＮＢＲ）からなる軟質のシール材５（ミクロシール材）を両面に塗布した後、シリンダボア孔１０及びシリンダボア孔１０をシールするためのフルビード１６を形成し、エンジン稼働時の冷却効果を考慮して開孔された複数の冷却水孔１１及び冷却水孔１１をシールするための１本で構成されたハーフビード１７を形成したものである。なお、本例においてフルビード１６のビード高さは、０．１５ｍｍ、ビード幅は、３．０ｍｍであり、上記冷却水孔１１用のハーフビード１７のビード高さは、０．２０ｍｍ、ビード幅は、１．５ｍｍである。また本例では、潤滑用オイル貫通用の複数のオイル孔１２及びカムシャフト貫通用のチャンバ孔１３用のハーフビード１７のビード高さを０．２０ｍｍ、ビード幅を、１．５ｍｍとした。なお、金属基板２の構成は上記例に限定されない。

本例の段差調整板３は、金属基板２よりも板厚が薄い金属板から形成されている。段差調整板３には、シリンダボア孔１０、冷却水孔１１が形成されている。また、本例の段差調整板３は、板厚ｔが０．０５ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０１Ｈ－ＣＳＰ）の少なくとも一方の面に、ニトリロゴム（ＮＢＲ）からなる軟質のシール材５を塗布したものであり、図５に示すようにシール材５が塗布された面が、シリンダブロック２２側に位置するように配置される。

ここで、図１、８に示す段差調整板３に形成されたシリンダボア孔１０の内周縁部３ａの大きさ（形状）は、金属基板２のシリンダボア孔１０と同一である。すなわち段差調整板３には、金属基板２に形成されたシリンダボア孔１０と同一形状のシリンダボア孔１０が形成されており、金属基板２と段差調整板３のシリンダボア孔１０の位置は相互に一致している。また、段差調整板３は、金属ガスケット１をシリンダヘッド２１とシリンダブロック２２の間に装着した状態で、段差調整板３の外周縁部がシリンダブロック２２のウォータジャケット２４の内側に収まるように構成されている。換言すれば、段差調整板３の外周縁部３ｂの直径は、図３に示すようにシリンダブロック２２のウォータジャケット２４の内壁２４ｂの直径よりも若干小さくしている。つまり、段差調整板３の外周縁部３ｂがシリンダブロック２２のウォータジャケット２４の内壁２４ｂよりも内側に位置するようにしている。ここで、段差調整板３の外周縁部３ｂは、シリンダブロック２２のウォータジャケット２４の内壁２４ｂにできるだけ近づけることが望ましい。このような構成とすることで、シリンダヘッド２１とシリンダブロック２２の間で金属ガスケット１が締付けられた時、締付けが阻害されずにウォータジャケット２４の溝内に確実に納まるとともに、金属箔からなる段差調整板３の強度アップのために出来るだけ接触面積を大きく取ることができる。なお本例では、段差調整板３の外周縁部３ｂがシリンダブロック２２のウォータジャケット２４の内壁２４ｂよりも０．５ｍｍ内側に位置するように形成している。なお、段差調整板３の構成は上記例に限定されない。

本例の補強板４は、金属基板２よりも板厚が薄い金属板から形成されている。補強板４には、冷却水孔１１が形成されている。また、補強板４には、シリンダボア孔１０よりも大きい開口（内周縁部４ａの輪郭参照）が形成されている。補強板４は、板厚ｔが０．１５ｍｍのステンレス材からなり、シリンダブロック２２に設けられたウォータジャケット２４の溝内に補強板４全体が収まるようにしている。すなわち、図３に示すように、補強板４の内周縁部４ａの直径は、ウォータジャケット２４の内壁２４ａの直径よりも大きく、補強板４の外周縁部４ｂの直径は、ウォータジャケット２４の内壁２４ｂの直径よりも小さくなるようにしている。具体的に、本例では、補強板４の内周縁部４ａの寸法（直径）は、内壁２４ａ寸法より０．５ｍｍ大きく加工し、外周縁部４ｂの寸法（直径）は、内壁２４ｂ寸法より０．５ｍｍ小さくしている。これにより、補強板４が金属ガスケット１の締付けを確実に阻害しないようにすることができる。すなわち、金属ガスケット１の締付けの際に、補強板４がシリンダブロック２２に接触しないようにすることができる。補強板４は、段差調整板３の下面側に押圧され、板厚ｔが０．０５ｍｍの金属箔で構成された段差調整板３のカシメ部１５からの脱落や一部のズレを長期的に防止するための構成である。したがって、補強板４のサイズを上記のようにする目的の一つは、段差調整板３の広範囲を補強板４によって確実に押圧して抑える必要があるからである。また、補強板４のサイズを上記のようにする目的の二つ目は、補強板４で段差調整板３に塗布されたシール材５の全域を覆うことで、シリンダブロック２２側に位置している段差調整板３に塗布されたシール材５の全域が、水流が激しい冷却水に長時間曝されるのを防ぐことができるからである。なお、補強板４の構成は上記例に限定されない。

上記のように、金属ガスケット１は、内燃機関におけるシリンダヘッド２１とシリンダブロック２２の間に装着して用いられ、シリンダヘッド２１のウォータジャケット２３とシリンダブロック２２のウォータジャケット２４とを連通させる冷却水孔１１を有する金属ガスケット１であって、３枚重ねた状態で共にカシメ固定された金属基板２、段差調整板３、及び補強板４を備え、金属基板２と補強板４に挟まれた段差調整板３における少なくとも補強板４側の面にはシール材５が塗布されており、金属ガスケット１をシリンダヘッド２１とシリンダブロック２２の間に装着した状態で、補強板４がシリンダブロック２２のウォータジャケット２４の内側に収まるように構成されている。このような構成により、内燃機関のシリンダヘッド２１とシリンダブロック２２の間に装着されて締付けられた時には、補強板４によって金属ガスケット１の全域の締付けが阻害されない。また、内燃機関の稼働、停止が繰り返される冷熱環境下において、金属基板２から段差調整板３が脱落したり変形したりすることを補強板４によって防止することができる。また、補強板４によって、段差調整板３に塗布されたシール材５の表面全域がウォータジャケット２４内に満たされた冷却水に直接曝されないようにしたことで、シール材５の剥離等を防止することができる。すなわち、内燃機関の稼働と停止が頻繁に繰り返されることで生じる冷熱環境下でも、段差調整板３の変形、ずれ、及びクラックの発生等を抑制することができ、また、段差調整板３に塗布されたシール材５の剥離及び膨れ等も抑制することができる。

ここで、本発明の実施例として金属ガスケット１を形成した。具体的には、図２、３、４に示すように、シリンダヘッド２１側から、金属基板２、段差調整板３、補強板４の順にセットして、ランスロックと称されるカシメ手法を用いて３枚の金属板（金属基板２、段差調整板３、及び補強板４）を固定した。なお、カシメ部１５の突出し方向は、シリンダヘッド２１側からシリンダブロック２２側方向に向かう方向であり、シリンダブロック２２のウォータジャケット２４内にカシメ部１５が位置するようにしている。なお、金属ガスケット１の寸法は上述の通りである。

また、本発明の効果を確認するための試験に供した比較例として、図１０に示す金属ガスケット１００を形成した。金属ガスケット１００は、実施例の金属ガスケット１から補強板４を除いた構成としている。すなわち、比較例の金属ガスケット１００は、１枚の金属基板２及び１枚の段差調整板３からなり、フルビード１６部分、及びシリンダブロック２２のウォータジャケット２４の溝域は、金属基板２及び段差調整板３の２枚重ねの構成とし、ハーフビード１７部分は金属基板２のみの構成とし、ランスロックのカシメ部１５によって２枚同時に固定した構造となっている。なお、カシメ部１５はシリンダヘッド２１側からシリンダブロック２２側のウォータジャケット２４溝内に突き出す様態となっている。

上記実施例としての金属ガスケット１および比較例としての金属ガスケット１００を用いて、本発明の作用効果を確認するための蒸気冷熱試験を行った。

ここで内燃機関（エンジン）は周知のように、エンジンの稼働と停止が頻繁に繰り返されるために温度変化が大きく、且つ、その頻度も多く、その冷間、熱間でエンジン本体は熱膨張を繰り返している。特に、シリンダヘッド２１とシリンダブロック２２間に介挿されている金属ガスケットは、上記の冷熱サイクルによるエンジンの膨張収縮を直接受けるため、燃焼ガス等のリーク防止の他に、段差調整板３の変形、脱落等を防止する補償が必要である。本発明の効果を確認する実験として、シリンダヘッド２１とシリンダブロック２２との間に金属ガスケット１、１００をそれぞれ装着し、蒸気と冷水とを交互にウォータジャケット２４に流入して、金属基板２からの段差調整板３の脱落、及び変形の有無について確認した。

具体的には、熱間は高圧蒸気によって行われ、１８０℃の高圧蒸気をシリンダヘッド２１側のインテークポートに設置された蒸気流入孔より燃焼室内に流入させるとともに、さらにその一部の蒸気を冷却水孔１１に出入りさせてエンジン全域を一定時間加圧加熱する。また、冷間は冷水によって行われ、蒸気加熱を停止させると同時に、１５℃の冷水をシリンダブロック２２側のウォータジャケット２４に流入孔より流入させるととともに、さらに金属ガスケット１の冷却水孔１１を通してシリンダヘッド２１に流入させてエンジン全域を一定時間冷却する。そして、この熱間及び冷間を１サイクルとして、これを所定のサイクル数（例えば２０サイクル）繰り返したところで、締付けボルト緩めて金属ガスケット１、１００をそれぞれ取り出し確認を行った。

上記試験の結果、実施例の金属ガスケット１においては、金属基板２からの段差調整板３の脱落及び変形、及び段差調整板３に塗布されたシール材５の表面状態に剥離や膨れ等の変化は認められなかった。一方で、比較例の金属ガスケット１００においては、金属基板２からの段差調整板３の脱落及び変形、及び段差調整板３に塗布されたシール材５の表面状態に剥離や膨れ等の変化が認められた。

上記試験結果から、段差調整板３が位置するシリンダブロック２２のウォータジャケット２４の溝全域に、補強板４が覆い被さる様態で、補強板４の内側端部４ａ（内周縁部）をウォータジャケット２４の内壁２４ａよりも僅かに（例えば０．５ｍｍ）大きく加工し、補強板４の外側端部４ｂ（外周縁部）を、ウォータジャケット２４の内壁２４ｂより僅かに（例えば０．５ｍｍ）小さく加工して組み付けることにより、金属箔で構成された段差調整板３を広範囲に確実に押圧して抑えることができ、その結果、段差調整板３の強度が増し、段差調整板３をカシメ部１５からの脱落や一部のズレ等の発生を抑制する改善効果が確認できた。

また、金属ガスケット１においてシリンダブロック２２側に位置している補強板４は、前述のように段差調整板３を広範囲に確実に押圧しているので、段差調整板３に塗布されたシール材５と補強板４間への冷却水の浸入も抑えられ（図５参照）、且つ、図６に示すように段差調整板３全体が冷却水に晒されることもなく、シール材５の表面に剥離や膨れ等の改善効果が確認できた。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。図９は、本発明の他の実施形態に係る金属ガスケット１’の一例であり、フルビード１６の突き出し方向は段差調整板３（シリンダブロック２２側）方向を向き、ハーフビード１７もそれにつれて傾斜している。このようにフルビード１６の突き出方向は上記実施例に限定されるものではなく、フルビード１６の突き出し方向がシリンダヘッド２１側方向を向き、ハーフビード１７もそれにつれて傾斜してもよく、状況に応じて適宜変更可能である。

また、本願発明の図５、６では、シリンダヘッド２１におけるウォータジャケット２３の内壁２３ａ、２３ｂの間隔が、シリンダブロック２２におけるウォータジャケット２４の内壁２４ａ、２４ｂの間隔よりも大きい構成としているが、これに限られない。すなわち、各エンジンによってウォータジャケット２３、２４の内壁２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂの間隔は様々であり、本願において重要な補強板４の端部４ａ及び４ｂの設定は、シリンダヘッド２１のウォータジャケット２３には左右されず、シリンダブロック２２のウォータジャケット２４の内壁２４ａ、２４ｂを基準とすればよい。

また、シリンダボア孔１０、冷却水孔１１、オイル孔１２、チャンバ孔１３、及び締付ボルト孔１４の数やその配置等は特に限定されず、内燃機関を構成するシリンダヘッド２１及びシリンダブロック２２の形状等に応じて適宜変更可能である。

１、１’：金属ガスケット
２：金属基板
３：段差調整板
３ａ：段差調整板の内側の端部（内周縁部）
３ｂ：段差調整板の外側の端部（外周縁部）
４：補強板
４ａ：補強板の内側の端部（内周縁部）
４ｂ：補強板の外側の端部（外周縁部）
５：シール材
１０：シリンダボア孔
１１：冷却水孔
１２：オイル孔
１３：カムチェーン通過用チャンバ孔
１４：締付ボルト孔
１５：カシメ部
１６：フルビード
１７：ハーフビード
２１：シリンダヘッド
２２：シリンダブロック
２３：シリンダヘッドのウォータジャケット
２３ａ、２３ｂ：シリンダヘッドのウォータジャケットの内壁
２４：シリンダブロックのウォータジャケット
２４ａ、２４ｂ：シリンダブロックのウォータジャケットの内壁
１００：比較例の金属ガスケット

Claims (1)

1. 内燃機関におけるシリンダヘッドとシリンダブロックの間に装着して用いられ、前記シリンダヘッドのウォータジャケットと前記シリンダブロックのウォータジャケットとを連通させる冷却水孔を有する金属ガスケットであって、
   ３枚重ねた状態で共にカシメ固定された金属基板、段差調整板、及び補強板を備え、
   前記カシメ固定により形成されるカシメ部が、前記金属基板側から前記補強板側に向けて突き出す様態であり、
   前記金属基板には、前記冷却水孔をシールするためのハーフビードが設けられており、
   前記金属基板と前記補強板に挟まれた前記段差調整板における少なくとも前記補強板側の面にはシール材が塗布されており、
   金属ガスケットを前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックの間に装着した状態で、前記補強板が前記シリンダブロックのウォータジャケットの内側に収まるように構成されており、
   前記段差調整板には、前記金属基板に形成されたシリンダボア孔と同一形状のシリンダボア孔が形成されており、
   前記段差調整板は、金属ガスケットを前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックの間に装着した状態で、該段差調整板の外周縁部が前記シリンダブロックのウォータジャケットの内側に収まるように構成されていることを特徴とする金属ガスケット。

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