JP2008223582A - 金属ガスケット - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易な構成によってボルト孔外側にある孔からの流体の漏れを防止可能な金属ガスケットを提供する。
【解決手段】燃焼室孔１が開口していると共に板外周端部側に複数のボルト孔８が開口している金属板からなる基板からなる。上記複数のボルト孔のうちの少なくとも１つのボルト孔８Ａよりも外側に油孔９が開口している。そのボルト孔８Ａと油孔９との間の基板部分を切除して両者８Ａ、９を連通させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンを構成するシリンダブロックとシリンダヘッドの対向する接合面間に介装されてシールすべき部分をシールするのに好適な金属ガスケットに係り、特にエンジンの運転、停止で接合面に発生する熱変形に対応可能な金属ガスケットに関するものである。

従来の金属ガスケットとしては、例えば特許文献１に記載の金属ガスケットがある。この特許文献１に記載のように、薄肉剛性金属板からなる基板に対して、エンジンの燃焼室に対向する燃焼室孔が開口すると共に、その燃焼室孔を囲繞するように燃焼室孔側ビードが形成され、その外周側に冷却水孔、油孔、ボルト孔が開口し、さらにシールが必要な孔を囲繞するようにして外周側のビードが形成されている。

このとき、特許文献１の図１に記載のように、一部のボルト孔の外側には油孔（オイルリターン孔）が形成され、少なくとも油孔の外側に対し油漏れ防止用ビードが形成されている。上記図では、油孔とそれに隣接するボルト孔の外周を囲むように油漏れ防止用ビードが形成されている。
なお、この特許文献１では、下記の関係となるようにガスケットの総板厚を調整することで、接合面に傾斜をつけて外周側での対向する接合面間の間隙を小さくしている。

燃焼室孔周りの増厚部 ＞ボルト孔周りの増厚部 ≧基板外周端部の増厚部
また、金属ガスケットは、一枚の基板から構成されるもの以外にも、複数の基板を積層して構成されるものや、１枚又は２枚以上の基板と副板を積層したり、シム板を介装したりして構成される。
また、内燃機関の進化と共に、高性能化、軽量化、排ガス浄化技術の希薄燃焼化ハイメカ化等でエンジンの熱負荷は増加している。

ここで、運転初期に、燃焼室孔のシリンダヘッド側の半球面が高温な燃焼ガスに曝されシリンダヘッドは急速に加熱される。このとき、シリンダヘッド側の球面燃焼室の上には冷却水が配置されており、冷却水も規定温度に上がるまで循環せず停止している。この間、爆発により発生した熱は、シリンダヘッド及びシリンダブロックの各接合面に沿って外周端側に伝播する。勿論、接合面以外の部位にも熱は伝播するが、開口率の少ない接合面で早く温度上昇して、シリンダヘッド及びシリンダブロックの両接合面と、接合面から離れたエンジン部分との温度上昇の時間差、つまり温度差で熱膨張差が発生する。この熱膨張差によって、上記両接合面はお互いに反り方向に変形（外周部での間隙が大きくなる方向に変形）する。

そして、上述のようにエンジンの熱負荷は増加する傾向に合わせて上記問題は顕在化し、特に、軽量化のためにアルミ合金製からなるエンジンは、熱膨張率も大きく、上記反り変形は大きくなる。また特に、寒冷地のように始動時と運転時との温度差の大きい地域での始動時には燃焼室部と外気に接する部位との温度差が拡大する結果、上記反り変形が大きくなる。

この反り変形に対し、エンジンを締結しているボルト間は、その軸力でエンジンが熱膨脹で反り方向に変化するのを抑えることが出来るが、ボルト孔より外側ではエンジンの剛性に頼るのみであるものの、アルミ合金化など軽量化が進んだエンジンでは剛性も低く、特にボルト孔より外側に油孔を設けている部位においては、そのボルト孔からの距離も長く反りによる口開き変形量が多くなりオイル漏れが発生するおそれがある。

また、上記大きな変形量で口開きが繰り返されることでビードの経時的な劣化促進にも繋がる。
この現象に対し、通常では、積層する基板枚数を増加させ変形追随量を増大することでオイル漏れに対応している。
特開２００６−１２５４３６号公報

しかしながら、上記のようなオイル漏れの対応では、装着する基板枚数が増大してコスト的に不利な金属ガスケットとなる。
また、本発明者らは、上記エンジンの温度差による熱変形を抑えるために、ボルト孔より外側にある油孔側の外周端部にシム板を増設することで、ボルト締付け初期から、ボルト孔より外側の接合面部分に矯正的に反り方向の変形をさせておき、熱変形による反り変形量を低減する技術も発明したが、この技術では、シム板の増設と取付けが必要である。
本発明は、上記のような点に着目してなされたもので、より簡易な構成によってボルト孔外側にある孔からの流体の漏れを防止可能な金属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、燃焼室孔が開口していると共に板外周端部側に複数のボルト孔が開口している金属板を１枚又は複数枚、有して構成され、上記ボルト孔が開口した金属板には、上記複数のボルト孔のうちの少なくとも１つのボルト孔よりも外側にシールを必要とする第２の孔が開口している金属ガスケットにおいて、
上記第２の孔が外側に配置されるボルト孔を、隣接ボルト孔と定義すると、
上記隣接ボルト孔が形成された金属板のうちの少なくとも１枚の金属板について、その隣接ボルト孔に続く第２の孔側部分を切り欠いて、当該隣接ボルト孔における第２の孔側の開口を広くしたことを特徴とするものである。

本発明の金属ガスケットは、各部の総板厚を見た場合に、少なくとも１枚の金属板について隣接ボルト孔における第２の孔側の開口を広くすることで、ボルト孔周りでは、ボルト中心軸を中心にして、内側の総板厚よりも外側（第２の孔側）の総板厚が薄くなり、更に、そのボルト孔周りにおける外側の総板厚よりも、第２の孔周りの総板厚の方が相対的に厚くなる。
そして、シリンダブロックとシリンダヘッドの対向する接合面間に金属ガスケットを介挿し、ボルト孔に挿通されたボルトで締め付けたときに、上記接合面は、ボルト位置で対向する接合面間の間隙が一番狭くなるように変形する。

このとき、本発明では、上述のように、隣接ボルト孔の外側が、当該隣接ボルト孔の外側にある第２の孔の外周部よりも総板厚が小さいことから、ボルト孔のうちの外側で一番接合面間の間隙が小さくなるように接合面が変形することで、当該隣接ボルト孔よりも外側に位置する接合面に対して反り方向の矯正変形が発生する予圧を付与可能となる。
このように、初期状態で、接合面におけるボルトよりも外周側部分に、矯正的な反りを付与しておくことで、上述のような運転初期の熱変形による口開きの変化量をゼロか小さく抑えることが出来る。

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、上記隣接ボルト孔が形成された金属板のうちの少なくとも１枚の金属板について、その隣接ボルト孔と第２の孔とを連通させたことを特徴とするものである。
本発明によれば、少なくとも１枚の金属板について、隣接ボルト孔と第２の孔とが連通、つまりその間の板部材を切り欠いて除去しているので、隣接ボルト孔の広げた外側部分の総板厚よりも板厚が厚い部分が、第２の孔よりも外側部分だけとなってボルトからの距離が大きくなることで、より隣接ボルト孔外側に位置する接合面に付与する強制的な反り方向の変形量を稼ぐ事が出来る。
また、単に連通するように切欠いた形状とするので金属体の加工も容易となる。

次に、請求項３に記載した発明は、燃焼室孔が開口していると共に板外周端部側に複数のボルト孔が開口している金属板を１枚又は複数枚、有して構成され、上記ボルト孔が開口した金属板には、上記複数のボルト孔のうちの少なくとも１つのボルト孔よりも外側にシールを必要とする第２の孔が開口している金属ガスケットにおいて、
上記第２の孔が外側に配置されるボルト孔を、隣接ボルト孔と定義すると、
上記隣接ボルト孔の周りの総板厚について、隣接ボルト孔に挿通されるボルトを挟んだ第２の孔側の総板厚が、当該第２の孔とは反対側の総板厚よりも小さいことを特徴とするものである。

本発明によれば、燃焼室孔周りの面圧を高く出来ると共に、当該燃焼室孔側の接合面間の間隙が大きくなる分だけ、隣接ボルト孔より外側の上記強制的な反り変形に対する予圧が大きくなってより上記反り変形を抑えることが出来る。

本発明によれば、基板の数を必要以上に増やしたり、ガスケットにシム板や基板の折り返し等を加工することが不要であるにも関わらず、エンジン始動時の熱膨張差によるシール漏れを防止すると共にビードの耐久性にも優れる金属ガスケットを提供できる。

次に、本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
第１の実施形態は、１枚の金属板で金属ガスケットを構成する例である。
図１は、その一部破断した状態を示す平面図であって、図２は、そのＡ−Ａ断面図である。

（構成）
まず構成について説明する。
鋼材などバネ力を発生可能な弾性金属板からなる１枚の基板２を備え、その基板２には、図１及び図２に示すように、エンジンの燃焼ガスを爆発させる燃焼室（ボア）に対応して設けられた複数の燃焼室孔１が、長手方向に並んで開口している。金属板としてはステンレス鋼板、軟鋼板等が例示でき、本実施形態ではステンレス鋼板を使用している。
また、基板２には、燃焼室孔１を無端状に囲むように燃焼室孔側ビード３が成型されている。その燃焼室孔側ビード３は、基板２自体を板厚方向に変形加工してなるフルビードである。もっともステップ状のハーフビードであっても良い。

その燃焼室孔側ビード３よりも外周側の基板２部分には、シリンダブロック５１の冷却水領域（冷却水が通過する空間）と板厚方向で対向する位置に、複数の冷却水孔１１が上記燃焼室孔側ビード３に沿って複数形成されている。更に、その複数の冷却水孔１１の外周側には、その燃焼室孔側ビード３に沿って形成された複数の冷却水孔１１を囲むようにして水漏れ防止用ビード４が形成されている。図２では、水漏れ防止用ビード４を、基板２を板厚方向に変形加工してなるステップ状のハーフビードで設けた場合を例示している。

また、水漏れ防止用ビード４よりも外側の基板２部分には、ボルト孔８及び油孔９が形成されている。すなわち、複数の開口したボルト孔８のうちの一部のボルト孔８（以下、隣接ボルト孔８Ａと呼称する。）の外側には、オイルリターン孔を構成する油孔９が開口している。そして、その油孔９からの油漏れを防止する目的で、隣接ボルト孔８Ａ及び当該油孔９を囲むようにして油漏れ防止用ビード５が形成されている。この油漏れ防止用ビード５も、図２では、基板２を板厚方向に変形加工してなるステップ状のハーフビードで構成する例が図示されている。

なお、この油漏れ防止用ビード５のうち、隣接ボルト孔８Ａよりも内側に位置する油漏れ防止用ビード５は、上記水漏れ防止用ビード４と合流して形成されている。合流部分はステップ状のハーフビード同士が重合した結果アーチ型のフルビードとなっている。
そして、本実施形態では、上記隣接ボルト孔８Ａと油孔９との間に位置する基板２部分を切り欠いて除去することで、当該隣接ボルト孔８Ａと油孔９とを連通状態としている。隣接ボルト孔８Ａの切欠き部分は、好適には、挿通されるボルト５０軸中心位置よりも油孔９側の部分を切り欠くことが好ましいが、切欠き部分は、それよりも小さくても構わない。
本実施形態では、上記油孔９が第２の孔を構成する。第２の孔は油孔に限定されない。

（作用効果）
１枚の基板２に開口された燃焼室孔１、ボルト孔８、油孔９、水孔等の孔周囲であってシールを必要とする部位に凹凸状又はステップ状のビードを成型してシールラインが形成されて、シールすべき孔周りがシールされている。

また、従来にあっては、特に対策を施さないと、ボルト孔８の外側に油孔９が配置されていて、隣接ボルト孔８Ａ中心から、当該隣接ボルト孔８Ａ外側位置での基板２外周端部までの距離が３０mmを超える場合に、上述の熱膨張差によって発生する接合面の反り変形による油漏れが多発していることを確認している。
これに対して、本実施形態では、基板２の外周端部にシム板や基板２の折り返し等による増厚部形成の加工をすること無く、ボルト孔８と油孔９間の基板２の部分を切除して連通するだけで、上述の熱膨張差によって発生する接合面の反り変形による油漏れが防止される。

この理由について、次に説明する。
シリンダブロック５１とシリンダヘッドの対向する接合面間に上記構造の金属ガスケット１０を介挿し、ボルト孔８に締付けボルト５０を挿通して締め付けることで当該金属ガスケット１０を装着する。
締付けボルト５０による荷重によって、ボルト孔８周りで一番接合面間の間隙が小さくなるが、図２のように、油孔９と連通するように隣接ボルト孔８Ａの外側が切り欠かれていることから、隣接ボルト孔８Ａ周りの外側部分の総板厚（＝０）よりも、相対的に油孔９の外側の総板厚の方が大きくなるので、隣接ボルト孔８Ａよりも外側に位置する接合面Ｓ１，Ｓ２を、模式図である図３のように、僅かに反り方向に変形させる予圧が付与される。なお、図３では、油漏れ防止用ビード５のボルト締付けによる変形前の形状で図示され、接合面Ｓ１、Ｓ２の反り方向の変形も分かりやすくするためにオーバーに図示している。

このように、隣接ボルト孔８Ａの外側にある接合面の部分Ｓ１，Ｓ２を、初期状態で強制的に反り方向に変形させているので、エンジン稼動初期における温度差による熱膨張で接合面の外周側がそり方向に変形しようとしても、既に初期状態よりボルト孔８より外側を強制的にそり方向に変形させている分、温度差による熱変形量が減少して油孔９外周端部の口開きを抑えることが出来て油漏れを防止出来る。更に効果を高めるために設計上許される範囲で、隣接ボルト孔８Ａの内側（基板内側を向く部分）を切り欠くなどによって、当該隣接ボルト孔８Ａの内側とボルトとの間の隙間を増やすと、上記効果は増大する。

また、上記口開きが繰り返し発生すると、その振幅が大きいほど油漏れ用ビードの経時的なへたれを促進したり、場合によっては基板２自体の亀裂に発展したりするおそれがあるが、本実施形態では、上記のように口開きの振幅を小さく低減出来るので、油漏れ用ビードの経時的劣化を抑えて寿命向上に繋がる。
なお、ボルト孔８の外側に油孔９などのシールすべき第２の孔が存在しない場合には、そのボルト孔８の外側に位置する基板２部分は短いので、上記エンジン稼働初期の温度差による口開きが発生しても、ボルト孔８からの張出量が小さいので影響はない。

（応用）
（１）上記実施形態では、一枚の基板２によって金属ガスケット１０を構成した場合を例示したが、これに限定されない。例えば図４のように、燃焼室周りにシム板１２を介挿して燃焼室孔１周りの総板厚が一番厚くなるように設定しても良い。
このようにすると、ボルト締付け時に、燃焼室孔１周りの面圧が高くなって燃焼ガスのシール性が向上する。
また燃焼室孔１側の総板厚が厚くなる分、接合面間も燃焼室孔１側の間隙も大きくなる分、燃焼室孔１からボルト孔８間の接合面の傾斜が強くなる結果、隣接ボルト孔８Ａより外側の上記矯正的な反りを発生させる予圧が大きくなって、上記エンジン稼動初期における温度差による反り方向の変形をより小さくすることが出来る。

（２）また、上記実施形態では、隣接ボルト孔８Ａと油孔９の間の基板２部分を完全に切除した構造としているが、油孔９に連通することなく、図５に示すように、隣接ボルト孔８Ａの外側のみ開口を大きく設定することで、上記作用効果を実現しても良い。
（３）また、隣接ボルト孔８Ａと油孔９の間の基板２部分を除去する代わりに、その隣接ボルト孔８Ａと油孔９の間の基板２部分の板厚を薄くすることで、上記作用効果を実現しても良い。例えば、隣接ボルト孔８Ａと油孔９の間の基板２部分を直接削って若しくは圧して薄くしたり、基板２表面全体に膜をコーティングし、上記隣接ボルト孔８Ａと油孔９の間の基板２部分だけ当該コーティングをしないことで薄くしたりする。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上記実施形態と同様な部材については同一の符号を付して説明する。
本実施形態は、複数枚の金属板にて金属ガスケット１０を構成する場合を例示している。

（構成）
すなわち、図６及び図７のように、上記第１実施形態で説明した構成と同様な構成の２枚の基板２を積層して金属ガスケット１０としている。図６では、２枚の基板２の間であって燃焼室孔１周りにシム板１２を配置して燃焼室孔１周りが一番総板厚が厚くなるように設定した場合を例示している。
ただし、２枚の基板２のうち、１枚の基板２でだけ、隣接ボルト孔８Ａを外側の油孔９と連通するように、隣接ボルト孔８Ａと油孔９との間の基板２部分を切除している。図７では、上側の基板２側でだけ実施した場合を例示している。
その他の構成は、上記第１実施形態と同様である。

（作用効果）
第２実施形態の金属ガスケット１０であっても、隣接ボルト孔８Ａ位置周囲に着目すると、ボルト５０が貫通する部分の外側部分のガスケット１０の総板厚が１枚の基板分の厚さしかないのに対し、油孔９の外側のガスケット１０の総板厚が２枚の基板分の厚さとなって相対的に厚いことから、第１実施形態と同様に、ボルト締付け時によりボルト５０よりも外側に位置する接合面部分に反り方向に矯正変形を付与出来る。
これによって第１実施形態と同様な効果を得ることが出来る。

（応用）
（１）２枚の基板２のうち１枚でだけ隣接ボルト孔８Ａと油孔９が連通するようにしているが、２枚の基板２で共に隣接ボルト孔８Ａと油孔９が連通するようにして良い。
（２）また、図８のように、２枚の基板２の間に副板１３が介装されて３枚の金属板を積層して金属ガスケット１０が構成されている場合に、基板２ではなく、副板１３に形成して隣接ボルト孔８Ａと油孔９とを連通するように構成しても良い。

（３）また、図９や図１０のように、副板１３や基板２に対して、凹凸状若しくはステップ状の補助的なビード２０，２１を設けることで、燃焼室孔１側の接合面間の間隙が大きくなるように設定しても良い。
この補助的なビード２０，２１は、燃焼室孔１側のシール性を向上させる役割も有する。また、副板１３を軟質の材質で形成し、その副板１３に補助的ビードを設けた場合には、負荷される面圧に応じて上記補助ビードが塑性変形する結果、燃焼室孔１の円周方向に沿ったシール圧の平均化を図ることが可能となる。

本発明に基づく第１実施形態に係る金属ガスケットを説明するための平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 反り矯正を説明する模式図である。 別の構成の金属ガスケットを説明する断面図ある。 別の構成の金属ガスケットを説明する平面図ある。 本発明に基づく第２実施形態に係る金属ガスケットを説明するための平面図である。 図５のＡ−Ａ断面図である。 別の構成の金属ガスケットを説明する断面図ある。 別の構成の金属ガスケットを説明する断面図ある。 別の構成の金属ガスケットを説明する断面図ある。

符号の説明

１ 燃焼室孔
２ 基板
３ 燃焼室孔側ビード
４ 水漏れ防止用ビード
５ 油漏れ防止用ビード
８ ボルト孔
８Ａ 隣接ボルト孔
９ 油孔
１０ ガスケット
１１ 冷却水孔
１２ シム板
１３ 副板
５０ ボルト
５１ シリンダブロック
Ｓ１，Ｓ２ 接合面

Claims (4)

1. 燃焼室孔が開口していると共に板外周端部側に複数のボルト孔が開口している金属板を１枚又は複数枚、有して構成され、上記ボルト孔が開口した金属板には、上記複数のボルト孔のうちの少なくとも１つのボルト孔よりも外側にシールを必要とする第２の孔が開口している金属ガスケットにおいて、
   上記第２の孔が外側に配置されるボルト孔を、隣接ボルト孔と定義すると、
   上記隣接ボルト孔が形成された金属板のうちの少なくとも１枚の金属板について、その隣接ボルト孔に続く第２の孔側部分を切り欠いて、当該隣接ボルト孔における第２の孔側の開口を広くしたことを特徴とする金属ガスケット。
2. 上記隣接ボルト孔が形成された金属板のうちの少なくとも１枚の金属板について、その隣接ボルト孔と第２の孔とを連通させた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. 燃焼室孔が開口していると共に板外周端部側に複数のボルト孔が開口している金属板を１枚又は複数枚、有して構成され、上記ボルト孔が開口した金属板には、上記複数のボルト孔のうちの少なくとも１つのボルト孔よりも外側にシールを必要とする第２の孔が開口している金属ガスケットにおいて、
   上記第２の孔が外側に配置されるボルト孔を、隣接ボルト孔と定義すると、
   上記隣接ボルト孔の周りの総板厚について、隣接ボルト孔に挿通されるボルトを挟んだ第２の孔側の総板厚が、当該第２の孔とは反対側の総板厚よりも小さいことを特徴とする金属ガスケット。
4. 燃焼室孔周りの総板厚が、ボルト孔周りの総板厚よりも大きい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。

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