JP2008223581A - 金属ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン剛性が低いエンジンでもエンジン内圧変動による冷却水用ビードの劣化を防止しうるガスケットを提供する。
【解決手段】
２枚の基板１，２間にシム板５を介装する。シム板５は、燃焼室孔７周りのシム板本体部３と、冷却水領域よりも外周側では上記燃焼室孔７の外周に沿ったボルト孔間の中間部にだけ設けられる張出部４と、から構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関を構成するシリンダブロックとシリンダヘッドとの接合面に介装して、燃焼ガス、冷却水、および油等の流体の漏洩を防止する金属ガスケットに関するものである。

一般に、自動車用エンジンその他の内燃機関を構成するシリンダブロックとその上に取り付けたシリンダヘッドとの接合面間には、接合面からの燃焼ガス、冷却水、油等の流体の漏洩を防止するためにガスケットを介装し、ボルトで双方を締め付けることによりシール機能を付与している。このようなガスケットとしては、耐熱性、耐圧縮性、耐久性に富み、良好な復元性および熱伝導性を有する金属製のガスケットが広く使用されている。

特に内燃機関用のガスケットの特徴は、エンジンの稼働によって、エンジンのシリンダ内の燃焼が繰り返され圧力変動が発生するので、復元性と耐熱性をもつステンレス基板にビードを形成して流体をシールする構造を用いることが多い。また、エンジンは、シリンダブロックに対し燃焼室の周りに冷却水領域（ウォータージャケット）を設けて冷却水を流通させることで、燃焼室周囲の過熱を抑制するエンジン構造が採用されているため、ガスケットには冷却水領域よりも外周の接合面に対向する位置に冷却水用ビードを設けて冷却水の外方への漏れをシールする構造が用いられる。

シリンダヘッドとシリンダブロックが複数のボルトによって締結されることにより、ガスケットの燃焼室孔側ビードと冷却水用ビードは板厚方向に圧縮され、高められた接触圧力によって燃焼ガスや冷却水などをシールする。さらにビードの持つ復元性により、燃焼によって発生する圧力変動やエンジンの温度変化などによって発生するヘッドブロック間の隙間量変化があってもシール性を保つことができる。

ここで、近年のエンジン開発の動向として、軽量化、高出力化、省燃費が盛んであり、エンジンを構成する部材としてアルミニウム合金を用いるとともに、燃焼圧力の高いエンジンが開発される傾向にある。アルミニウム合金を用いてエンジン部材を構成した場合、鋳鉄を用いてエンジン部材を構成した場合に比べて、その全体剛性は著しく低下し、また、締付けボルトは冷却水領域の外側、エンジンの外縁付近に設けられることが多い。このような低剛性のエンジンの場合、エンジンの外緑部であるボルト周辺に荷重が集中し、それ以外の部分たとえば燃焼室孔周囲やボルト間の面圧が低下してしまい、目的のシール性能が得られないことがある。

このような問題に対応した金属ガスケットとして、特許文献１に記載のものがある。この金属ガスケットは燃焼室孔周辺の基板部分にだけシム板を積層することで、燃焼室孔周りの総板厚を厚くして燃焼室孔周りの面圧を高めている。また、特許文献１の発明では、面圧の高い部分のシム板の幅を狭く、面圧の低い部分のシム板の幅を広くすることによって、燃焼室孔周囲の面圧の均一化を狙っている。
特開２０００−２８００１号公報

本来、エンジンを高出力化するには燃焼圧力を高く設定し、それに見合うボルトの締付け荷重も大きくすることが求められ、それにしたがってエンジン構造の剛性を高くする必要がある。
しかし自動車の省燃費や軽量化を考慮した結果、エンジンをコンパクトにする目的でエンジンを構成する部材の厚さを薄く設計することになり、エンジンの剛性は低いものとなる。また、大排気量になるほど燃焼室孔が大径化する傾向にある。すなわち、エンジンのアルミ化・大型化・高出力化によって、さらに変形しやすいエンジン構造になっているうえにボルトの締付け荷重の低下によって高圧シールが困難になっている。これに対し、特許文献１に記載の金属ガスケットは、剛性の低いエンジンに対して燃焼室孔周囲の面圧を高める効果と燃焼室孔周囲の面圧の均一化に効果がある。

しかし、さらにエンジンの低剛性化とボルトの低軸力化が進んだ場合、燃焼室孔周囲の面圧の低下だけでなく外周部の冷却水用ビードのシール面圧まで低下してしまう。そして、特許文献１における、面圧を高めるシム板の効果が及ぶ範囲は燃焼室孔周囲だけであるので、外周部の冷却水用ビードのシールについては、ボルト近傍の面圧は確保出来るが、ボルト間においては前記効果は及ばない。

さらに、シール面圧の低下だけでなく、燃焼圧力の変動によって、シリンダヘッドとシリンダブロックとの接合面間の隙間量の振幅が増大するように振動するので、ビード部分が過剰にたたかれてビード上に塗布されたシール剤が削り取られたり剥離したりする。更にビード高さが減少してしまう。そのため外周部の冷却水用ビードの復元性が保てずシール性能が損なわれるという不具合が発生するおそれがある。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、エンジン剛性が低いエンジンでもエンジン内圧変動による外周側のビードの劣化を防止しうるガスケットを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、燃焼室とその外周側に形成されて冷却水が通過する冷却水領域とを備えるシリンダブロックの接合面とシリンダヘッドとの接合面との間に介装される金属ガスケットであって、
１又は２枚以上の基板とシム板とが積層され、上記基板には、燃焼室に対応した燃焼室孔が開口すると共にその燃焼室孔を囲むように燃焼室孔側ビードが設けられ、その燃焼室孔側ビードの外周側であって上記冷却水領域と対向可能な位置に冷却水孔が開口すると共に、上記冷却水領域よりも外周側に複数のボルト孔が開口しており、
上記シム板は、
上記冷却水領域よりも燃焼室側の接合面と対向配置され且つ外周端部が冷却水領域若しくは当該冷却水領域よりも燃焼室側の接合面位置に設定される第１のシム板と、
その第１のシム板の外側に配置され、上記冷却水領域よりも外周側では上記燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間に位置する上記基板にだけ対向配置される第２のシム板と、
からなることを特徴とするものである。

ここで、上記第２のシム板は、上記燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間の中央もしくは略中央にあることが好ましく、その燃焼室孔の外周に沿った第２のシム板の幅は、狭くて構わない。例えばボルト孔間の間隔の５分の１もあれば充分である。
本発明では、ボルト締付けの際に、第１のシム板によって増厚されている、燃焼室孔周りのシール圧を高く設定出来る。
ここで、ボルト締付けの際に、第１のシム板及びボルトの締付け荷重によって、シリンダブロック及びシリンダヘッドの接合面は、増厚されている燃焼室孔側で隙間が大きくなると共にボルト孔回りで隙間が最小となるように変形する。

このとき、燃焼室孔を挟んだボルト間の接合面の輪郭にあっては、第１のシム板によって上述のように中央の面圧が高く設定されて、ボルト締付けによる矯正によって、エンジン稼働による振動は抑えられる。しかし、接合面の外周側における、燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間の位置では、対向する接合面間が、ボルト孔間の中央部で間隙が大きくなるように変形した口開きが発生し（図５（ａ）参照）、エンジンの稼働によってその接合面の口開きが振動するように変形することで、基板の外周側に形成したビードの経時的なヘタリを早め、シール剤の劣化と共に水洩れに繋がる原因となる。

これに対し、本発明では、燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間に第２のシム板を配置してその位置での総板厚を厚くすることで、上記口開き部分での接合面の変動量を小さく抑えたり、逆に、上記外周側の接合面部分における、燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間の位置で、対向する接合面間が、ボルト孔間の中央部で間隙が大きくなるような口開きとなるように強制的に変形させる予圧を付与したりすることで、エンジン稼働時の当該口開き位置での接合面の振動を抑える。これによって、基板の外周側に形成したビードの経時的なヘタリやシール剤の劣化を抑える。

次に、請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した構成に対し、上記基板に、上記冷却水領域よりも外周側に上記冷却水をシールするための冷却水用ビードが形成される金属ガスケットにおいて、上記第２のシム板は、その冷却水用ビードよりも内側に配置されることを特徴とするものである。
第２のシム板が冷却水ビード位置と対向すると、その対向位置のシールを悪くする。このため冷却水ビードと重ならないように、第２のシム板を、冷却水用ビードよりも内側に配置する。

次に、請求項３に記載した発明は、請求項１又は請求項２に記載した構成に対し、上記第１のシム板と第２のシム板とは一体に構成されていることを特徴とするものである。
第２のシム板を第１のシム板と一体構成とすることで、第２のシム板の設置が容易となる。ただし、第１のシム板と第２のシム板に板厚差があっても良い。

次に、請求項４に記載した発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した構成に対し、上記ボルト孔の外側に位置する基板部分と対向する第３のシム板を設けたことを特徴とするものである。
ボルト孔の外側位置の基板及び接合面は、ボルト締付け荷重によっては振動を抑える作用が弱いが、第３のシム板を配置することで接合面間が開く方向に矯正されて、ボルト孔の外側位置の基板及び接合面の振動を抑えることが出来る。

次に、請求項５に記載した発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した構成に対し、上記第１のシム板に一条以上の補助ビードを設けたことを特徴とするものである。
第１のシム板に補助ビードを設けることで、燃焼室側ビード周りのシール性が向上する。
また、燃焼室孔周りの接合面間の隙間を確保若しくは大きくすることで、燃焼室孔から外周側に向かう接合面の傾斜を確実に若しくは強くする結果、上記燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間の口開き量を小さく出来て、上記第２のシム板の作用を強くすることが可能となる。

次に、請求項６に記載した発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載した構成に対し、燃焼室孔側ビードよりも燃焼室孔側の基板部分及び第１のシム板部分の少なくとも一方に対し、他の位置よりも板厚が厚い増厚部を設けたことを特徴とするものである。
増厚部を設ける事で、燃焼室孔回りの面圧をより高く設定出来ると共に、燃焼室孔周りの接合面間の隙間を大きくすることで、燃焼室孔から外周側に向かう接合面の傾斜を強くする結果、上記燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間の口開き量を小さく出来て、上記第２のシム板の作用を強くすることが可能となる。

本発明によれば、例えば、冷却水用ビード周辺に振動ストッパーとなる第２のシム板が設けられるため、燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間における、接合面の隙間量の変動量を抑えることができる。この結果、基板外周側に設けたビードのシール耐久性を高めることができる。
また本発明は、剛性が低いエンジンに対して効果を発揮するので、エンジンをアルミ化、ボルトの低軸力化、軽量化を図ることができ、エンジンの高出力化や低燃費化に貢献することができる。

次に本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施形態に関わる金属ガスケットを示す平面図である。図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ断面図である。

（構成）
まず、その構成について説明する。
本実施形態の金属ガスケットは、図２及び図３に示すように、２枚の基板１，２の間に、当該基板１，２よりも薄肉のシム板５を介装して構成されている。

上記各基板１，２は、ステンレス鋼板などの板バネを発揮可能な弾性金属材料からなる薄肉金属板である。その基板１，２には、シリンダブロック５０の燃焼室５０ａに対応した燃焼室孔７が開口すると共にその燃焼室孔７を囲むように燃焼室孔側ビード８が設けられている。図１中、符号Ｌ１が、燃焼室孔側ビード８の頂部に沿ったシールライン位置を示している。本実施形態では、図２に示すように、燃焼室孔側ビード８を、基板１，２を屈曲加工してなるフルビードで構成した場合を例示している。この燃焼室孔側ビード８は、シリンダブロック５０の冷却水領域５０ｂよりも燃焼室５０ａ側に位置する接合面Ｓ１と対向する位置に配置される。また基板１，２には、上記燃焼室孔側ビード８の外周側であって燃焼室孔７に沿って複数個の冷却水孔９が開口している。その各冷却水孔９は、上記冷却水領域５０ｂと対向する位置に設けられる。また基板１，２における上記冷却水領域５０ｂよりも外側の接合面Ｓ２と対向する位置には、上記複数の冷却水孔９の外周を囲むように冷却水用ビード１０が形成されている。図１中、符号Ｌ２が、冷却水用ビード１０の頂部に沿ったシールライン位置を示している。本実施形態では、図２に示すように、冷却水用ビード１０を、基板１，２を屈曲加工してなるステップ状のハーフビードで構成した場合を例示している。また、冷却水用ビード１０よりも外側の基板１，２部分には、ボルト孔１１が開口している。

また、上記シム板５は、燃焼室孔７回りに配置されるシム板本体部３と、そのシム板本体部３から外方に張り出す舌片状の張出部４とからなる。ここで、シム板本体部３が第１のシム板５を構成し、張出部４が第２のシム板５を構成する。
シム板本体部３には、上記基板１，２の燃焼室孔７に対応して開口する燃焼室孔３ａが形成されていると共に、当該シム板本体部３の外周端部が、上記冷却水領域５０ｂ内に位置するような大きさとなっている。シム板本体部３の外周端部は、接合面Ｓ１と対向する位置でも良い。

張出部４は、上記燃焼室孔７の外周に沿ったボルト孔１１間で、外方に向けて張り出している。その張出部４の先端部側は、冷却水領域５０ｂよりも外周側に位置する接合面Ｓ２と対向すると共に、その先端が、上記冷却水用ビード１０の形成位置よりも内側の位置にあるように設定されている。
その舌片状の張出部４は、燃焼室孔７の外周に沿ったボルト孔１１間の中央部に配置されていて、その幅は小さくて構わない。

なお、上記シム板５は、冷却水領域５０ｂと重なる位置で一方の基板１，２に固定すればよい。
更に、図４に示すように、基板１，２におけるボルト孔１１位置よりも外側部分にも第３のシム板１２が配設されている。この第３のシム板１２は溶接などで基板１，２の一方に固定される。なお、この第３のシム板１２は、基板１，２におけるボルト孔１１位置よりも外側部分の張出量が大きい部分に設ける方が効果が大きい。

そして、シリンダブロック５０の接合面とシリンダヘッドの接合面との間に、上記金属ガスケットを配置し、締付けボルト（図示せず）をボルト孔１１に挿通して、シリンダヘッドとシリンダブロック５０とともに金属ガスケットは締め付けられることで、当該金属ガスケットは、シリンダヘッドとシリンダブロック５０の間に介装される。

（作用効果）
締付けボルトの締付けにより、対向する接合面間の隙間は不均一になり、ボルト孔１１周辺では狭く、離れるに従い広くなるようにエンジンは変形する。ボルト孔１１はエンジンの外縁に近い場所に設けられていることが多いため、シム板５が無い場合には、エンジン外縁のボルト孔１１周辺の面圧は高く、燃焼室孔７周辺の面圧は低くなる。これに対し、シム板本体部３によって、燃焼室５０ａ周りの総板厚が増厚されることで燃焼室孔７周辺の面圧が高くなって、燃焼ガスのシール性が確保される。

しかし、剛性が著しく低いエンジンの場合、接合面外周側におけるボルト孔１１の中間部分でも面圧の低下が見られ、対向する接合面間が、模式図である図５（ａ）のように、口開き状態になりやすい。このような状況で燃焼圧の荷重変動があると、その口開き状態の接合面間が振動するように変形して、冷却水用ビード１０に過大な圧縮と変位がかかることからビードに塗布されたシール剤が削り取られたり剥離したり、ビードが経時的にへたり、冷却水の漏れやにじみの原因となる。

これに対し、本実施形態では、燃焼室孔７の外周に沿ったボルト孔１１の中間部分にシム板５の一部である張出部４を配置して、接合面外周側におけるボルト孔１１の中間部分の口開きが狭まる方向への変形を規制、若しくは模式図である図５（ｂ）のように、口開き方向への予圧を接合面に付与することで、エンジン稼働時における接合面外周側におけるボルト孔１１間部分の振動が低減される。この結果、冷却水用ビード１０に対する過大な圧縮と変位を低減することができるので、ビード上に塗布したシール剤にも優しく、冷却水用ビード１０の耐久性を向上させることができる。

またこのとき、張出部４を、冷却水用ビード１０位置よりも内側に配置して当該冷却水用ビード１０と重ならないように配置することで、特に工夫をしなくても冷却水用ビード１０のシール性を阻害することはない。
同様に、ボルト孔１１よりも外側位置の接合面部分も、ボルトの締付け荷重による拘束が弱いので、燃焼圧の荷重変動で振動し易い。特に、ボルト孔１１から外側部分が内外ほど発生する。これに対して第３のシム板１２を設けることで、その振動を低減することが出来る。特にボルト孔１１の外側にビードがある場合に効果的である。

（変形例）
上記実施形態では、基板１，２を２枚積層する場合を例示しているが、基板１が一枚だけであっても良い。
上記実施形態では、シム板本体部３と張出部４とを一体のシム板５で構成する場合を例示しているが、シム板本体部３と張出部４とは別の金属板から構成されていても良く、また、シム板本体部３と張出部４との板厚に差を付けても良い。この場合には張出部４を構成するシム板５を基板１，２に溶接などで固定する。作用効果は同じである。ただし、上記実施形態のように、シム板本体部３と張出部４とを一体に構成する方が、張出部４の配置が容易となる。

また、上記張出部４は、冷却水用ビード１０よりも外側に設けても良いが、上述のように、上記張出部４は冷却水用ビード１０よりも内側の方に配置する方が好ましい。内側に配置した場合には、ボルト間中央部で、各基板１，２に設けた冷却水用ビード１０が対向する接合面に押し付けられて、接合面外周部における燃焼室孔７外周に沿った方向のボルト間の変形に、より冷却水用ビード１０が沿うようにシールすることになる。

また、図６および図７に示すように、シム板５におけるシム板本体部３に対し、板厚方向に屈曲してなる補助ビード１８またはビード１９を設けるとよい。この補助ビードを設けることで燃焼室５０ａ周りのシール性がさらに高くなる。上記補助ビード１８，１９は、燃焼室孔側ビード８よりも燃焼室５０ａ側の基板平坦部、及び燃焼室５０ａ側ビードの外周側の基板平坦部のうちの、少なくとも一方に設ければ良い。補助ビード１８，１９を設けた位置の面圧も高くなることでシール性が向上する。

また、シム板本体部３の位置、つまりシム板５の燃焼室孔７回りに補助ビード１８，１９を設ける事で、接合面における燃焼室５０ａから外周側に向かう輪郭線のラインの傾斜が強く（燃焼室５０ａ側が高くなるような傾斜）なることで、接合面外周側におけるボルト孔１１間に生じる口開きが小さくなって、上記張出部４を設けることによる効果が更に高くなる。

また、図８に示すように、燃焼室孔側ビード８よりも燃焼室５０ａ側に位置するシム板５部分に板厚を厚くした増厚部１７を設けても良い。燃焼室孔７周縁の面圧を高く設定することで出来る。またこの場合も、増厚部１７によって接合面における燃焼室５０ａから外周側に向かう輪郭線のラインの傾斜が強く（燃焼室５０ａ側が高くなるような傾斜）なることで、接合面外周側におけるボルト孔１１間の口開きが小さくなって、より上記張出部４を設けることによる効果が大きくなる。

図８では、上記増厚部を、シム板５の端部を折り曲げて構成する場合を例示しているが、金属板を積層し溶接して増厚したり、カシメや鳩目で金属板を固定することで増厚しても良い。また、増厚は、シム板５に限定されず基板１，２側を増厚しても良い。効果は同じであるが、製造的にはシム板５に増厚部を設ける方が容易である。

本発明に基づく実施形態に係わる金属ガスケットを示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面図である 図１におけるＢ−Ｂ断面図である 図１におけるＣ−Ｃ断面図である 接合面外周側のボルト孔間の口開きを説明する模式図であり、（ａ）は張出部４が無い場合を、（ｂ）は張出部４を設けた場合を示す。 本発明に基づく実施形態に係るシム板の変形例を示す 本発明に基づく実施形態に係るシム板の変形例を示す 本発明に基づく実施形態に係るシム板の変形例を示す

符号の説明

１，２ 基板
３ シム板本体部
４ 張出部
５ シム板
７ 燃焼室孔
８ 燃焼室孔側ビード
９ 冷却水孔
１０ 冷却水用ビード
１１ ボルト孔
１２ シム板
１７ 増厚部
１８，１９ 補助ビード
５０ シリンダブロック
５０ａ 燃焼室
５０ｂ 冷却水領域
Ｓ１ 冷却水領域より内側の接合面
Ｓ２ 冷却水領域より外側の接合面

Claims (6)

1. 燃焼室とその外周側に形成されて冷却水が通過する冷却水領域とを備えるシリンダブロックの接合面とシリンダヘッドとの接合面との間に介装される金属ガスケットであって、
   １又は２枚以上の基板とシム板とが積層され、
   上記基板には、燃焼室に対応した燃焼室孔が開口すると共にその燃焼室孔を囲むように燃焼室孔側ビードが設けられ、その燃焼室孔側ビードの外周側であって上記冷却水領域と対向可能な位置に冷却水孔が開口すると共に、上記冷却水領域よりも外周側に複数のボルト孔が開口しており、
   上記シム板は、
   上記冷却水領域よりも燃焼室側の接合面と対向配置され且つ外周端部が冷却水領域若しくは当該冷却水領域よりも燃焼室側の接合面位置に設定される第１のシム板と、
   その第１のシム板の外側に配置され、上記冷却水領域よりも外周側では上記燃焼室孔の外周に沿ったボルト孔間に位置する上記基板にだけ対向配置される第２のシム板と、
   からなることを特徴とする金属ガスケット。
2. 上記基板に、上記冷却水領域よりも外周側に上記冷却水をシールするための冷却水用ビードが形成される金属ガスケットにおいて、
   上記第２のシム板は、その冷却水用ビードよりも内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載した金属ガスケット。
3. 上記第１のシム板と第２のシム板とは一体に構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した金属ガスケット。
4. 上記ボルト孔の外側に位置する基板部分と対向する第３のシム板を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載した金属ガスケット。
5. 上記第１のシム板に一条以上の補助ビードを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載した金属ガスケット。
6. 燃焼室孔側ビードよりも燃焼室孔側の基板部分及び第１のシム板部分の少なくとも一方に対し、他の位置よりも板厚が厚い増厚部を設けたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載した金属ガスケット。

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