JP2005090700A - シリンダヘッドガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】高耐圧、高シール性が要求されるシリンダヘッドガスケットを、基本的には強度に優れる金属製で、かつ、ボア部にシム部材が積層配備された構造を踏襲しながら、シム部材とシリンダヘッドとの滑りを良くして、不測のボア変形を抑制し、不都合なくシール性を高められる高性能なシリンダヘッドガスケットを提供する。
【解決手段】シリンダボアに対応した円孔２ａが形成されたステンレス製のガスケット本体２と、円孔２ａの周辺部のガスケット本体２に積層配置される環状のシム部材３と、を有して成るシリンダヘッドガスケット１において、シム部材３を、多数の真球状微粒子７をバインダーによって互いに結合した層状体により構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、シリンダヘッドガスケットに係り、詳しくは、シリンダボアに対応した円孔が形成された金属材から成るガスケット本体と、円孔の周辺部のガスケット本体に積層配置される環状のシム部材と、を有して成るシリンダヘッドガスケットに関するものである。

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介装されるシリンダヘッドガスケットとして、ステンレス鋼板等によるガスケット本体と、このガスケット本体におけるシリンダボアの円孔の周辺部に積層配置される環状のシム部材と、を有した構造のものがある。

これは、厳しい耐圧性、シール性の要求されるシリンダヘッドガスケットのシリンダボア部分に環状のシム部材を設けて、そのボア部分の厚さをその他の部分よりも大とすることにより、シリンダボア部分におけるガスケットの面圧を高くして、それらの要求に答えられるようにしたものである。つまり、高度のシール性を要するシリンダボア部分の締圧を高めて、シリンダヘッドガスケットの封塞性能を向上させることが可能となる利点がある。このようなシリンダガスケットとしては、例えば、特許文献１において開示されたものが知られている。

前記従来技術によるエンジンガスケットでは、シム部材の存在により、シリンダヘッドをシリンダブロックにボルトによって締付けた場合、シム部材が設けられたシリンダヘッドガスケットのシリンダボア部分の厚みが厚いために、シリンダヘッド及びシリンダブロックにおけるこれら両者が互いに対面する側の表面形状に追従変形できないようになり、シリンダヘッドにおける燃焼室の周囲部分における面圧分布が不均一になり易い。それによってシリンダボアの変形が所期以上に大きくなり、ピストンの摩擦抵抗が大きくなって、エンジンオイルの消費量が多くなるとか、所期通りの出力が得られないといった不都合がある。

つまり、シリンダヘッドをボルトによってシリンダブロックに締付けると、シム部材部分のガスケットが厚いために、シリンダヘッドは、ボルト締付部分がよりシリンダブロックに近付くように変形し、それによって燃焼室部分の外縁部がシリンダボアの外径側に引張られるようになるが、鋳物材で成るシリンダブロックとシム部材との摩擦係数が高く、滑りが良くない状況にあると、シム部材とシリンダヘッドとは互いに滑り移動できない。故に、ボルト締めによる前述の状態にシリンダヘッドは変形できず、結果として、ボア変形が不均一になる。

そこで、前述の特許文献１において開示されたものでは、シム部材を可撓性のある耐熱環状シールから構成することにより、前述した追従変形が行われてシリンダボアの変形が大きくならないようにされている。この場合のシム部材は、セラミック系粒子に熱硬化性樹脂（バインダー）を配合した耐熱性無機接着剤から構成されている。

しかしながら、セラミック系粒子は真球形状ではないとともに、大小様々な粒径から成るものであって表面粗さが粗いので、使用するには、シム部材としての表面に研削加工を行って表面粗さを改善させる後処理が必要であった。加えて、大小様々な粒径から成る粒子であるが故に、高面圧の作用する粒子は、容易に転位できず、シリンダヘッドと全面当りにならない問題もあり、シム部材としては、更なる改善の余地が残されていた。
特開２０００−１４５９６８号公報

本発明の目的は、高耐圧、高シール性が要求されるシリンダヘッドガスケットを、基本的には強度に優れる金属製で、かつ、ボア部にシム部材が積層配備された構造を踏襲しながら、シム部材とシリンダヘッドとの滑りを良くして、不測のボア変形を抑制し、不都合なくシール性を高められる高性能なシリンダヘッドガスケットを提供する点にある。

請求項１の構成は、シリンダボアに対応した円孔が形成された金属材から成るガスケット本体と、前記円孔の周辺部のガスケット本体に積層配置される環状のシム部材と、を有して成るシリンダヘッドガスケットにおいて、前記シム部材が、多数の真球状微粒子をバインダーによって互いに結合した層状体により構成されていることを特徴とする。

請求項２の構成は、請求項１のシリンダヘッドガスケットにおいて、前記真球状微粒子が、セラミック系多孔質真球状微粒子の表面に低硬度の摩擦低減材をコーティングしてカプセル状にしたものであることを特徴とする。

請求項３の構成は、請求項２のシリンダヘッドガスケットにおいて、前記セラミック系多孔質真球状微粒子が、アルミナ又はシリカ粒子から成り、前記摩擦低減材が、二硫化モリブデン又はダイヤモンド状硬質炭素膜であることを特徴とする。

請求項４の構成は、請求項１〜３のいずれかのシリンダヘッドガスケットにおいて、前記真球状微粒子の径が、１００ｎｍ〜１μｍであることを特徴とする。

請求項５の構成は、請求項１〜４のいずれかのシリンダヘッドガスケットにおいて、前記ガスケット本体における前記シム部材の囲りに、前記ガスケット本体の屈曲によって前記シム部材の外表面を越える高さに隆起された環状のビード部が形成されていることを特徴とする。

請求項６の構成は、請求項１〜５のいずれかのシリンダヘッドガスケットにおいて、前記ガスケット本体は、鋼板製芯金の片面又は両面に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層が形成された複合基材から成ることを特徴とする。

請求項１のシリンダヘッドガスケットにおいては、後述するように、低摩擦性等に優れる真球状微粒子の多数をバインダーによって互いに結合した層状体でシム部材を形成してあるので、シリンダヘッドとシム部材とは滑りの良い状態で接触することになる。従って、シリンダヘッドガスケットを挟んだ状態で、シリンダヘッドをシリンダブロックに組付けるべく締上げると、押圧接触状態においてもシリンダヘッドとシム部材とが容易に相対滑り移動でき、シム部材の存在でボア周辺部が部分的に厚いガスケットの介装によるシリンダヘッドの変形が所期通りに行われるようになる。

その結果、シム部材は、シリンダヘッドとシリンダブロックの接触する側の外面形状に追従変形できることとなり、シリンダヘッドにおける燃焼室の周囲部分における面圧分布が不均一になることが回避され、均一なものとなり、ピストンの摩擦抵抗が小さくなって、エンジンオイルの消費量が減少するとともに、所期通りの出力が得られるようになる、という効果を得ることができる。また、シリンダヘッドが所期通りに変形することから、その変形によるシリンダヘッドの強度改善効果も得られる利点もある。

請求項２のシリンダヘッドガスケットにおいては、真球状微粒子を、セラミック系多孔質真球状微粒子の表面に低硬度の摩擦低減材をコーティングしたカプセル状のものとしたので、シリンダヘッドとの滑りがさらに改善されることとなり、請求項１の構成による前記効果が強化される利点がある。そして、請求項３のように、セラミック系多孔質真球状微粒子を、アルミナ又はシリカ粒子から形成し、摩擦低減材を、二硫化モリブデン又はダイヤモンド状硬質炭素膜から形成し、より一層前記滑りを改善することも可能である。

請求項４のシリンダヘッドガスケットにおいては、シリカ粒子等による真球状微粒子の径を１００ｎｍ〜１μｍとすれば、一般的な真球状微粒子の製造方法でありながら、粒子径が比較的揃った状態［平均粒径の分散度（ばらつき）が５％以内になる］になり、滑らかな表面状態となって、請求項１〜３の構成によるいずれかの前記効果がより確実に得られるという、信頼性に優れたものにできる。

請求項５のシリンダヘッドガスケットにおいては、シム部材の外表面を越える高い高さのビード部を設けてあるから、より確実にシール性向上効果を得ることができるとともに、ガスケット本体の屈曲によって隆起したビード部を形成してあるので、材料の追加が無く、廉価にシール性向上効果が得られる利点がある。

請求項６のシリンダヘッドガスケットにおいては、請求項１〜５の構成によるいずれかの前記効果を奏するとともに、詳しくは、実施例において述べるが、耐摩耗性や低摩擦性等に優れるダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層を、芯金の外表面に形成されたガスケット本体を用いているので、シリンダヘッドとシム部材とは滑りの良い状態で接触することになり、ガスケット本体とシリンダブロックやシリンダヘッドとの滑りも良くなって、請求項１の構成による前記効果がより強化される利点がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、自動車等に搭載される内燃機関に適用自在なシリンダヘッドガスケット１の部分平面図が、図２には、図１におけるＡ−Ａ線断面図が夫々示されている。このシリンダヘッドガスケット１は、シリンダブロック（図示省略）とシリンダヘッド（図示省略）との間に介装されている。即ち、このシリンダヘッドガスケット１は、シリンダボアに対応した円孔２ａが形成されたステンレス（金属材の一例）から成るガスケット本体２と、円孔２ａの周辺部のガスケット本体２に積層配置される環状のシム部材３とから構成されている。

ガスケット本体２は、ステンレス製の芯金４と、これの表裏の両面に形成されたダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層５とから成る複合基材に構成されている。そして、ガスケット本体２におけるシム部材３の囲りには、ガスケット本体２の屈曲による隆起部であって、ガスケット本体２の厚みよりも突出した環状のビード部６が形成されている。ビード部６は、ガスケット本体２からシム部材３の積層側方向に突出しており、その突出高さはシム部材３の外表面を越える状態に設定されている。

ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層５は、図３に示すように、母材である芯金４に直に積層されるクロム中間層５Ａと、このクロム中間層５Ａに積層されるＷ−Ｃ傾斜合金化層５Ｂと、最も外側に積層されるＷ含有のダイヤモンド状硬質炭素膜５Ｃとで成る三層構造に構成されている。尚、図１、図２に示すシリンダヘッドガスケット１において、９はボア口（シリンダボア）、１０は冷却水路用孔、１１はボルト孔である。

ここで、膜層５の主要材質であるダイヤモンド状硬質炭素膜について説明する。ダイヤモンド状硬質炭素膜（ＤＬＣ膜：ダイヤモンド・ライク・カーボン膜）は、耐久性があり、表面が滑らかなうえに下地材料への付着性が優れている。膜質は、緻密性に富んでおり、グラファイトや高分子カーボンのような構造の材料では透過できる溶液でも、緻密なＤＬＣ膜を浸透、通過することはできない。ＤＬＣはアモルファスであるため、ダイヤモンドの結晶構造のような長範囲規制性を有していない。硬度の点からダイヤモンドやサファイヤのような超硬材料のグループに分類されている。可視光線や赤外線を通し、電気抵抗が高く、低摩擦性や耐摩耗性に優れ、化学的に不活性である。

そして、室温でＤＬＣの成膜が可能であるという利点がある。その成膜方法としては、スパッタリングとプラズマＣＶＤ法とを合体させ、傾斜的にＤＬＣ膜を生成するＭｅ−ＤＬＣ（メタルＤＬＣ：チタンやクロムをＤＬＣに混合させる）を成膜するプラズマブースタースパッタリング法（ＰＢＳ法）等がある。

シム部材３は、図２、図３に示すように、円孔２ａとほぼ同径（又は若干大径）の開口部を有したリング板状のものであり、多数の真球状微粒子７を、熱硬化性樹脂等のバインダーによって互いに結合した層状体により構成されている。真球状微粒子７は、セラミック系多孔質真球状微粒子７Ａの表面に、低硬度の摩擦低減材７Ｂをコーティングして成るカプセル状のものに形成されている。そのセラミック系多孔質真球状微粒子７Ａは、アルミナ（又はシリカ粒子）から成り、摩擦低減材７Ｂは、二硫化モリブデン（又はダイヤモンド状硬質炭素膜、つまりは膜層５）である。そして、真球状微粒子７の径は、１００ｎｍ〜１μｍとなるように形成されている。

尚、真球状微粒子７Ａの材料としては、アルミナやシリカ粒子の他、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＴｉＯ２，ＢａＴｉＯ３，ＺｎＯ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｕ，ＣｏＦｅ３Ｏ４，等が可能である。つまり、真球状微粒子７Ａは、セラミック系多孔質真球状微粒子の他、金属やその他の材料による粒子から成るものも可能である。また、シム部材３を、真球状微粒子７の配列構造が、図４に示すように、径の半ピッチ分互い違いとなるものでも良い。

真球状微粒子７Ａの製造方法としては、アルミナ等の金属紛末を酸化気流中で燃焼合成あせる方法（収率３０％以下）や、真空下で原材料となる液体を冷却し、加圧下で凝縮させる方法（収率９５％以上）がある。後者の方法では、粒径分布が小さく量産性に優れるとともに、製造した粒子のうちの９５％のものを、目標粒径の寸法に収めることができる点で前者の方法よりも好適なものである。この後者の製造方法は、アルミナ又はシリカから成る多孔質真球状微粒子の表面に低硬度の摩擦低減材を付着させたことが特徴であり、摩擦低減材は、二硫化モリブデン又はダイヤモンド状硬質炭素（前述の膜層５）から成る。

このように、シム部材３を、多数の真球状微粒子７をバインダーによって互いに結合した層状体で構成したので、高面圧の作用する粒子は容易に内部に転位して、シム部材３の全面がシリンダヘッドに当接する全面当りとなり、低面圧としながら良好にシールすることが可能になる。そして、真球状微粒子の表面には、柔らかい低摩擦材がコーティングしてあるので、シリンダヘッドとの滑り性が良いものとなる。

しかして、低摩擦性に優れる真球状微粒子７の多数によってシム部材３が形成されているので、シリンダヘッドとシム部材３とは滑りの良い状態で接触することになる。従って、シリンダヘッドガスケット１を挟んだ状態で、シリンダヘッドをシリンダブロックに組付けるべくボルト操作で締上げると、押圧接触状態においてもシリンダヘッドとシム部材３とが容易に相対滑り移動できる状態であることから、シム部材３によってボア周辺部が部分的に厚いガスケットによるシリンダヘッドの変形が所期通りに行われるようになる。

その結果、シム部材は、シリンダヘッドとシリンダブロックの接触する側の外面形状に追従変形できることとなり、シリンダヘッドにおける燃焼室の周囲部分における面圧分布が不均一になることが回避され、均一なものとなり、ピストンの摩擦抵抗が小さくなって、エンジンオイルの消費量が減少するとともに、所期通りの出力が得られるようになる、という効果を得ることができる。また、シリンダヘッドが所期通りに変形することから、その変形によるシリンダヘッドの強度改善効果も得られる利点もある。

加えて、ガスケット本体２には、耐摩擦性及び低摩擦性に優れるダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層５が形成されているので、ビード部６及びガスケット本体２においても、シリンダブロック並びにシリンダヘッドとの滑り性が良く、ボルト操作しての締付けによる追従変形がより円滑に行われるようになり、その点からもシリンダボアの面圧の均一化が促進される、という好ましい利点がある。そして、シリンダヘッドとシム部材３との接触部は、シリンダへッドと真球状微粒子７とが接するので、ステンレス等の金属製母材に直に接していた従来に比べて、シール性が改善される効果もある。

シリンダガスケット１は、シム部材３が、真球状微粒子７とバインダ樹脂から成る混合物をガスケット本体２の表面上にスクリーン印刷することによって形成されたものでも良い。

尚、図２や図３に示される膜層５は、ダイヤモンド状硬質炭素（ＤＬＣ）膜のみで成る単層構造のものや、そのダイヤモンド状硬質炭素（ＤＬＣ）膜がＭｅ−ＤＬＣ膜上に積層された２層構造のものでも良い。ダイヤモンド状硬質炭素（ＤＬＣ）膜は絶縁性を有しているので、金属性の芯金４の表裏の両面に、ダイヤモンド状硬質炭素（ＤＬＣ）膜を形成すれば、芯金４を、シリンダボア内外での電気信号や電力の伝達部材として用いることが可能になる。例えば、シリンダボア部位に設けられたヒータや放電電極と、シリンダブロック外部に装備された電源とを、芯金４とアースとで導通させたり、燃焼室内における火炎伝播状況を直接検出すべく、シリンダボア内の電気的情報を電気信号に変換してシリンダブロック外に導出させるための一方の導通部材として芯金４を利用するのである。

シリンダヘッドガスケットの部分平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 シム部材の拡大断面図である。 真球状微粒子の別配列構造を示すモデル図である。

符号の説明

１ シリンダヘッドガスケット
２ ガスケット本体
２ａ 円孔
３ シム部材
４ 芯金
５ ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層
６ ビード部
７ 真球状微粒子
７Ａ セラミック系多孔質真球状微粒子
７Ｂ 摩擦低減材

Claims (6)

1. シリンダボアに対応した円孔が形成された金属材から成るガスケット本体と、前記円孔の周辺部のガスケット本体に積層配置される環状のシム部材と、を有して成るシリンダヘッドガスケットであって、
   前記シム部材が、多数の真球状微粒子をバインダーによって互いに結合した層状体により構成されているシリンダヘッドガスケット。
2. 請求項１において、
   前記真球状微粒子が、セラミック系多孔質真球状微粒子の表面に低硬度の摩擦低減材をコーティングしてカプセル状にしたものであるシリンダヘッドガスケット。
3. 請求項２において、
   前記セラミック系多孔質真球状微粒子が、アルミナ又はシリカ粒子から成り、前記摩擦低減材が、二硫化モリブデン又はダイヤモンド状硬質炭素膜であるシリンダヘッドガスケット。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記真球状微粒子の径が、１００ｎｍ〜１μｍであるシリンダヘッドガスケット。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記ガスケット本体における前記シム部材の囲りに、前記ガスケット本体の屈曲によって前記シム部材の外表面を越える高さに隆起された環状のビード部が形成されているシリンダヘッドガスケット。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記ガスケット本体は、鋼板製芯金の片面又は両面に、ダイヤモンド状硬質炭素膜による膜層が形成された複合基材から成るシリンダヘッドガスケット。

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