JP2011525228A - 内燃機関におけるフランジ面を封止するためのシール部材 - Google Patents

Abstract

少なくとも１つの環状の金属の外形体からなる、内燃機関でフランジ面を封止するためのシール部材において、前記外形体１，１’，１’’は線材でできており、少なくとも１つのコア領域２，２’，２’’と少なくとも１つの曲げ領域３，４；３’，４’；３’’，４’’とを有しており、前記線材１，１’，１’’の前記コア領域２，２’，２’’での材料厚みは前記曲げ領域３，４；３’，４’；３’’，４’’よりも大きく構成されていることを特徴とするシール部材。

Description

本発明は、少なくとも１つの環状の金属の外形体（profiled body）からなる、内燃機関におけるフランジ面を封止するためのシール部材に関する。

複数の層からなる金属のシリンダヘッドガスケットにおいて、それぞれ異なる層を適切な接合方法（たとえばクリンチ、溶接、リベット止め）によって相互に結合することが知られている。これらの層は、液体や気体を封止するために、ビードまたはその他のポリマー製シール材の形態のシール部材を有することができる。

このような種類のシール材は、一方では、封止面の静的な起伏や動的な開閉振動（シリンダヘッドガスケットとして使用する場合)を補償するために、十分にばね特性を有していなくてはならない。他方では、このようなシール材は、不十分なクランプ力がシール部材の破損を引き起こすほど撓曲しないようにするために、十分に剛性が高くなくてはならない。

内燃機関の燃焼室の縁部のところで十分な初期応力を生成するために、金属リングを用いることも知られている。その際に適用される原理は、封止間隙が閉じられるように、金属のリングを可塑変形させることである。しかし、そのようなシール材の動作のための基本的な前提条件は、封止間隙運動が生じないことである。というのも、可塑変形した金属リングは、開閉振動を補償するために利用できる弾性特性を有していないも同然だからである。

ＧＢ９７９，４０８は、その半径方向の壁厚全体にわたって見たときに、均等な高さおよび実質的に対称の外形を有する環状の金属の外形体によって形成された、シリンダライナのシール材が記載されている。シリンダヘッドとエンジンブロックとの間には、この外形体を収容するための半径方向の自由空間を有するシリンダヘッドガスケットが配置されている。シリンダヘッドガスケットの軸方向の全高を上回る、外方に向かって湾曲したシール部材の輪郭に基づいて、この外形体は、エンジンブロックとシリンダヘッドに応力がかかったときに、当該外形体を収容する溝の内部で弾性変形し、それにより、最大の変形圧力が生じたときに、外形体がその側方の収容領域を除いて、収容する溝の底面に対して規定された間隔を依然として有するようになっている。外形体はステンレス鋼で製作され、少なくとも溝の底面側に、それぞれの半径方向の末端の区切りからこれに対応する軸方向の側面への鋭いエッジの移行領域を有している。この場合、鋭いエッジの移行領域は、両方の封止線の領域で十分に高い面押圧力を与える。

ＤＥ１２５３９５０により、少なくとも１つの層の金属板からなる、内燃機関でシリンダカバーを封止するためのシールリングが公知となっており、この層は断面で見て円切片状に構成されており、内側エッジならびに外側エッジは１つの平面に配置されている。この場合にも、シールリングの軸方向高さは、その半径方向の壁厚全体にわたって見たときに等しく構成されている。さらにこの従来技術では、中央の直径部に沿って接触する、互いに鏡像対称に配置された２つのシールリングでシールリングが構成されることが提案されている。

本発明の目的は、一方では、各封止面の静的な起伏ならびに必要に応じて動的な開閉振動を補償するために十分なばね特性を有する、内燃機関でフランジ面を封止するための新しい種類のシール部材を提供することにある。さらに、このシール部材は、不十分なクランプ力がシール部材の破損を引き起こすほど撓曲しないように、十分に剛性が高くなくてはならない。

この目的は、外形体が線材でできており、少なくとも１つのコア領域と少なくとも１つの曲げ領域とを有しており、線材のコア領域での材料厚みが各々の曲げ領域よりも大きく構成されていることによって解決される。

本発明の対象の好ましい発展例は、従属請求項に記載されている。

本発明の対象は、曲げバーの技術的な実施形態に基づいている。２つの板（たとえばエンジンブロックとシリンダヘッド）の間で力が作用することによって、もしくは、そのような幾何学形状に応力がかかることによって、上方からほぼ中心部で曲げバーが荷重をうけ、下面の外側にある両方の支点によって力が支えられる。それにより、一方では支点を正確に定義可能であり、他方では、それぞれの支点の間の力分布を調節可能である。さらに、曲げバーの厚みは、システムの剛性およびシステムに付属するばね特性と相関関係にある（材料の選択）。

こうした原理に基づいて、本発明によって複数の技術的な実施態様が提供される。すなわち、
−半径方向の壁厚は、ほぼバナナの幾何学形状に相当するような外形を備えている。
−線材は、半径方向の端部が切込みを形成しつつ２つの上側および２つの下側の曲げ領域をそれぞれ形成するような外形を有している。
−線材は、半径方向の内側または外側に肉厚のコア領域を有しており、この断面と逆の端部に、初期状態のときにコア領域の軸方向の高さを上回る２つの曲げ領域が形成されるような外形を有している。

従来技術に比べて特別に好ましいのは、各々の曲げ領域の少なくとも半径方向の自由端部が、丸められた形状で設けられていることである。それにより、特に動的な開閉振動が生じたときに、シール部材を収容する溝への埋め込みが回避される。

線材にバナナ形状の幾何学形状を適用したとき、外形体は、中央部にもっとも高い外形を有している。断面は両方の端部に向かうにつれて先細りになる（均一に、または不均一に）。このことは、荷重が生じたときに弾性的な端部が曲がることを意味している。シリンダヘッドガスケットの場合に生じ得る全圧縮のとき、バナナ形の外形体の下側アーチの中心部が各フランジ面もしくは溝底面の上に載り、それにより、この中央の領域だけが支持をする。こうした作用原理によって、いわゆるストッパ機能が根拠づけられる。さらに、ストッパ領域によって追加の封止線が定義される。この追加の封止線は、特に、比較的高い圧力を密封するために好ましい。２つの封止線を有する従来技術とは異なり、鋭いエッジの移行領域を省略することができるからである。

従来型の曲げバーに相当するこうした作用形態は、本発明の対象物を基礎とする他の外形体にも応用することができる。曲げ領域を形成する外側の端部は、全圧縮のときに同じくコア領域だけが支持をするようになるまで、弾性的に曲がる。

これに応じて、統合されたストッパ部材を備えるばね部材が、本発明の対象物と組み合わされる。すなわち、ストッパの高さもしくは取付け高さは１つの最大の断面部によって得られ、または、複数の部分領域がコア領域として構成されている場合には、複数の最大の断面部によって生じる。弾性的な領域の構成は、このような外形線材のばね挙動（および封止力）を定義する。

たとえばＦＥＭによって外形線材の幾何学形状を的確に設計することで、取付点の封止力を正確に調整することができるように輪郭を選択することができる。それにより、各フランジ面の静的な起伏だけでなく、必要に応じて動的な開閉振動も補償できる。

追加のマイクロシールが必要である場合には、外形線材のリングをたとえば全面的または部分的にコーティングすることができる。

本発明のさらに別の思想によると、外形線材を非対称に構成すると好ましい場合があることが判明している。それにより、エンジンブロックもしくはシリンダヘッドにおける力の分布（歪み）にプラスの影響を及ぼすことができる。

本発明によるシール部材は、シリンダヘッドガスケットとの組み合わせばかりでなく、平形ガスケットとの組み合わせとしても利用することができ、または、たとえば内燃機関の排気系統の単独の封止部材としても利用することができる。

このような線形の媒体封止部材と他の封止部材を組み合わせるべきか否かに応じて、本発明の外形線材シールリングにさまざまに異なる実施態様を与えることができる。一例として、次のような要求事項が考えられる：
−マイクロシールのための追加の（少なくとも部分的な）コーティング。
−外形線材シールリングの接合（ピストンリングと同様に、シールリングを突き合せて接合するのでなく、突き合せたままにしておくことも考えられる）。
−接合方法のために必要となる少なくとも１つのゾーンもしくは領域を構成する。

本発明のさらに別の思想によると、外形体の線材は、好ましくは６００ＭＰａ以上の降伏点を有しているばね鋼から製作される。

その場合、公知のオーステナイトまたはマルテンサイトの錆びない素材もしくは錆びにくい素材が適している。

線材が非ステンレス鋼でできていることも同じく考えられる。

当業者は、利用する場合に応じて適切な材料を選択することができる。

一般に、弾性特性もしくはばね特性を有するあらゆるばね鋼が、外形線材の素材として考慮の対象になり得る。

ここでは一例として、オーステナイトのクロム・ニッケル鋼、マルテンサイトのクロム鋼、ベイナイトもしくはマルテンサイトの炭素鋼または多相鋼を挙げておく。排気系統のシール部材として使用する場合については、ニッケルベース合金を挙げておく。

適切な１つの材料の組み合わせ、または場合により適切な複数の材料の組み合わせは、必要に応じて硬化プロセスおよび／または熱処理ならびに最適化された幾何学形状（線材の断面）を考慮したうえで、本発明によるシール部材の機能を、取付場所に応じてどのような動作状態でも確実なものにする。

たとえば乗用車または商用車、ディーゼルエンジンまたはガソリンエンジン、過給（たとえばターボやコンプレッサ）のあるなしといった適用ケースに応じて、シール部材のそのつど別様に適合化された幾何学形状が最善になり得ると予測される（燃焼圧力や燃焼温度に依存して、種々の断面形状が考慮の対象となる）。

幾何学形状、そのつどのコア領域の厚み、そのつどの曲げ領域の断面、および選択される材料などによって、どのようなばね作用とどのような取付厚みを外形線材シールリングが有するべきかを調整することができる。すでに述べたとおり、利用ケースに応じて、線材の各コア領域によって一種のストッパを具体化することができる。

さまざまな断面の組み合わせによって、用途に応じた必要なばね特性を有する複雑な幾何学形状をつくることができる。

このようなシール部材のさらに別の大きな利点は、使用される外形線材がすでに所要の最終寸法を有しており、したがって、媒体シール部材を製作するために、変形プロセスおよび必要に応じて接合プロセスおよび場合により熱処理を行うだけでよいという点にある。状況によってのみ、機械的な後処理が必要となる。

同じく必要に応じて適用されるべき接合プロセスについては、摩擦接合方式、嵌合方式、物質接合方式のいずれの方法も考えられる。あるいはこれらを組み合わせることもでき、たとえば、嵌合方式と物質接合方式（たとえば機械式のクランプ止めと、これに引き続く突合せ個所の接着）を組み合わせることもできる。

本質的に重要なのは、選択された外形線材の幾何学形状により、適切なその材料との関連において、その荷重／変形曲線に非常に強い影響を及ぼすことである。１つの理想的な荷重変形曲線は、荷重変形グラフにおける水平方向の線によって表される。このことは、最初のうち、荷重が増すにつれて変形が比例して大きくなることを意味している。特定の荷重レベルを過ぎると荷重は（ほぼ）等しく保たれ、それに対して外形線材は引き続き変形していく。外形線材がほぼ完全に変形したときに、わずかな変形を伴いながら荷重が急激に上昇する。最終的な全圧縮では荷重だけが増大することができるが、それ以上の変形を引き起こすことはない（ただし可塑変形は考えられる）。この関連で大きな意義があるのは、本発明による外形線材の弾性復帰特性である。弾性復帰率は、可塑変形に対する弾性変形の比率を表す目安となる。このような外形線材が荷重をうけたときに、可塑変形が少ないほど、荷重がなくなったときの弾性復帰挙動は優れている。本件のケースにおいては、幾何学形状と材料選択によって、上述した理想的なケースに非常に近い荷重変形挙動を実現することができる。それによって次のような事柄が可能となる：
−このようなシール部材の取付点を正確に定義する。
−非常に高度な弾性復帰挙動を実現する。
−同等または改善された封止機能で、必要なねじ力を最低限に抑える。
−エンジンブロックまたはその他の封止フランジにおける歪みを最低限に抑える。
−比較的大きな開閉運動もしくは開閉振動を補償する。

本発明の実施の形態が、添付の図面および以下の記載に示される実施例によって説明される。

本発明によるシール部材のさまざまな幾何学的な実施形態を示す図である。 本発明によるシール部材のさまざまな幾何学的な実施形態を示す図である。 本発明によるシール部材のさまざまな幾何学的な実施形態を示す図である。 図２のシール部材を仮組みされた状態で示す図である。 図４のシール部材を示す平面図である。 図１のシール部材を仮組みされた状態で示す図である。 図６のシール部材を全圧縮した状態で示す図である。 本発明によるシール部材の撓曲に対する荷重を従来のビードと対比して示すグラフである。

図１は、規定された弾性的な（ばね）特性を有する、バナナの形状をしたシール部材１を示している。

図２と図３は、図１から導き出される実施形態のシール部材１’，１’’を示している。

図１から図３に示す全ての幾何学形状の主な特徴は、一方では、使用条件のもとで（シール部材の配置に応じて）ストッパ機能を担うことができる少なくとも１つのコア領域２，２’，２’’を有しており、他方では、使用条件のもとで弾性的な封止機能を保証する、弾性的に撓曲可能な少なくとも１つの領域３，４，３’，４’，３’’，４’’を含んでいることである。

バナナ形の幾何学形状を有している図１のシール部材１は、その中央部にもっとも厚い断面を有している。両方の端部３，４に向うにつれて、断面は（均等に、または不均等に）先細りしていく。このことは、荷重Ｆがかかったとき、全圧縮でコア領域２，２’，２’’だけが支持をするようになるまで、それぞれの弾性的な端部３，４，３’，４’，３’’，４’’が撓曲することを意味している。

したがって、本発明の対象物を用いて、ばね機能（曲げ領域３，４，３’，４’，３’’，４’’）とストッパ機能（コア領域２，２’，２’’）とを組み合わせることができる。すなわち、ストッパ高さもしくは取付厚みは（他の層なしで外形線材だけが使用される場合）、このような外形体の１つの最大の断面から生じるか、または、複数の最大の断面（シール部材１，１’，１’’の複数の部分領域がコア領域として構成されている場合）から生じる。弾性的な領域３，４，３’，４’，３’’，４’’の構成は、このようなシール部材１，１’，１’’の挙動と封止力を定義する。

すでに述べたとおり、本発明によるシール部材１，１’，１’’はエンジンブロックとシリンダヘッドの間に配置されるだけでなく、それ以外にも排気系統で封止をするために用いることができる。その場合、動作温度がさまざまに異なるので、さまざまに異なる素材を用いることができる。

本発明によるシール部材１，１’，１’’をシリンダヘッドガスケットの領域で適用しようとする場合、約３５０℃までの温度で素材を使用することが可能でなければならない。

本発明によるシール部材１，１’，１’’がたとえば排ガスシール材として用いられる場合、３５０℃以上から最大約１０００℃の温度までの使用に適していなくてはならない。

いくつかの合金をあくまで一例として以下に掲げる。

すべて重量％で記載されている。

Ａ．シリンダヘッドガスケットの領域で使用するためのシール部材
１．オーステナイト鋼
Ｃ 最大０．１５％
Ｓｉ 最大２．０％
Ｍｎ 最大９．５％
Ｐ 最大０．４５％
Ｓ 最大０．０４％
Ｃｒ １２．０％から２１．０％
Ｎｉ 最大１６．０％
Ｍｏ 最大４．０％
Ｃｕ 最大４．０％
Ｆｅ 残り
２．マルテンサイト鋼
Ｃ ０．１６％から０．５０％
Ｓｉ 最大１．０％
Ｍｎ 最大１．５％
Ｐ 最大０．０４５％
Ｓ 最大０．０４％
Ｃｒ １２．０％から１４．５％
Ｎｉ 最大０．７５％
Ｍｏ 最大１．０％
Ｆｅ 残り
３．非ステンレス鋼
Ｃ ０．５０％から１．３０％
Ｓｉ 最大３．０％
Ｍｎ 最大３．０％
Ｐ 最大０．０３５％
Ｓ 最大０．０３５％
Ｃｒ 最大２．０％
Ｆｅ 残り。

Ｂ．エキゾーストフランジガスケットの領域で用いるためのシール部材
温度範囲（＞３５０℃）に応じて、ニッケルベース合金またはニッケルベース超合金を用いることができる。本発明によるこのような種類のシール部材の使用の範囲において、シール部材は、基本的に１７％から２３％の範囲のクロムと、２５％から５５％の範囲のニッケルとを含むニッケル・クロム鋼である。

すべての元素は重量％で記載されている。

シール部材１，１’，１’’の曲げ領域は、それが対称に構成されているか非対称に構成されているかに関わりなく、それぞれの対向面への埋め込みを防止するために、丸められた端部領域を備えている。

図４は、仮組みされた状態を概略的に示している。少なくとも１つの燃焼室７を含むエンジンブロック６とシリンダヘッド５とが示されている。この場合には、図２に示すシール部材１’を用いてもよい。図示しているのは応力のかかっていない状態であり、すなわち、シール部材１’は、当初はエンジンブロック６とシリンダヘッド５の間に位置決めされている。

図５は、図４のシール部材１’を示している。環状に構成された異形外形のシール部材１’は、本例では開いた外形体として製作されているのがよく、その自由な端部領域８，９は適切な接合方法によって、たとえば溶接継目１０によって、相互に結合されている。

図６および図７は、一方では図４に相当する位置（図６）、また他方では全圧縮の位置（図７）における、図１に示すシール部材１を示している。コア領域２と曲げ領域３，４を見ることができる。シール部材１がたとえばシリンダヘッド５とエンジンブロック６の間で応力をかけられると、軸方向の外力の作用Ｆによって各曲げ領域３，４が半径方向に変形するのに対して、全圧縮のときにはコア領域２が封止面５’，６’の間に挟み込まれ、これによりストッパ領域１１が形成される。それに応じて一種の３点支持３，４，１１が形成され、このときの曲げ領域３，４は弾性的に変形可能な状態に保たれており、したがって、動的な封止振動に追随することもできる。

図８は、撓曲に対してプロットされた荷重のグラフを示している。従来型のビード１２と、たとえば図１に示す本発明による外形線材とが比較されている。

理想的な荷重変形曲線は、荷重変形グラフにおける水平方向の線によって表される。このことは、最初のうち、外形線材１の変形が荷重の増大とともに比例して増えることを意味している。特定の荷重レベルを超えると荷重は実質的に等しく保たれ、それに対して外形体は引き続いて変形する。外形体がほぼ完全に変形したときにはじめて、わずかな変形だけを伴いつつ荷重が急激に増大する。全圧縮のときには、荷重だけが増大することができる。

Claims (24)

1. 少なくとも１つの環状の金属の外形体からなり、内燃機関でフランジ面を封止するためのシール部材において、前記外形体（１，１’，１’’）は線材でできており、少なくとも１つのコア領域（２，２’，２’’）と少なくとも１つの曲げ領域（３，４；３’，４’；３’’，４’’）とを有しており、前記線材（１，１’，１’’）の前記コア領域（２，２’，２’’）での材料厚みは各々の前記曲げ領域（３，４；３’，４’；３’’，４’’）よりも大きく構成されていることを特徴とするシール部材。
2. 前記線材（１，１’，１’’）は開いたリングまたは閉じたリングとして構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のシール部材。
3. 前記線材（１）の半径方向の壁厚部分はバナナの幾何学形状に相当するような形状を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載のシール部材。
4. 前記線材（１’）は、半径方向の端部が切込みを形成しつつそれぞれ２つの前記曲げ領域（３，３’；４，４’；３’’，４’’）を形成するような外形を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載のシール部材。
5. 前記線材（１’’）は、半径方向の内側または外側に肉厚のコア領域（２’’）を有しており、この断面と逆の端部に２つの曲げ領域（３’’，４’’）が形成されるような外形を有していることを特徴とする、請求項１または２に記載のシール部材。
6. 各々の前記曲げ領域（３，４；３’，４’；３’’，４’’）は初期状態のときに前記コア領域（２，２’，２’’）の軸方向の高さを上回っていることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のシール部材。
7. 各々の前記曲げ領域（３，４；３’，４’；３’’，４’’）の、少なくとも半径方向の自由な端部領域は、丸められた形状で設けられていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載のシール部材。
8. 前記曲げ領域（３，４；３’，４’；３’’，４’’）の材料厚みが等しく構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のシール部材。
9. 前記曲げ領域（３，４；３’，４’；３’’，４’’）の材料厚みが異なって構成されていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項に記載のシール部材。
10. 前記線材（１，１’，１’’）はシリンダヘッドガスケットの一部であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のシール部材。
11. 前記線材（１，１’，１’’）はシリンダヘッドガスケットの各燃焼室貫通孔の領域に設けられていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載のシール部材。
12. 前記線材（１，１’，１’’）は水穴やオイル穴のような少なくとも１つの媒体貫通孔の領域に設けられていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項に記載のシール部材。
13. 前記線材（１，１’，１’’）は平形ガスケットの一部であり、特にエキゾーストフランジガスケットの一部であることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項に記載のシール部材。
14. 前記線材（１，１’，１’’）は燃焼空気の供給領域および／または燃焼ガスの排出領域における１つのシール部材であることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項に記載のシール部材。
15. 前記線材（１，１’，１’’）は少なくとも部分的にシリンダヘッドガスケットもしくはエキゾーストフランジガスケットの各部分と結合されていることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項に記載のシール部材。
16. 前記線材（１，１’，１’’）は半径方向へ可動なように各開口部に配置されていることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか１項に記載のシール部材。
17. 前記線材（１，１’，１’’）は、ばね鋼でできていることを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか１項に記載のシール部材。
18. 前記線材（１，１’，１’’）は用途に応じて６００ＭＰａ以上の降伏点を有していることを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか１項に記載のシール部材。
19. 前記線材（１，１’，１’’）はオーステナイトの錆びない素材または錆びにくい素材でできていることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のシール部材。
20. 前記線材（１，１’，１’’）はマルテンサイトの錆びない素材または錆びにくい素材でできていることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のシール部材。
21. 前記線材（１，１’，１’’）は非ステンレス鋼でできていることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のシール部材。
22. 前記線材（１，１’，１’’）はニッケルベース合金でできていることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のシール部材。
23. 前記線材（１，１’，１’’）はニッケルベース超合金でできていることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか１項に記載のシール部材。
24. 機能を定義する封止線の領域は少なくとも部分的にコーティングされていることを特徴とする、請求項１から２２までのいずれか１項に記載のシール部材。

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