JP5207742B2 - Ｍｌｓ層用のより低強度の材料 - Google Patents

Description

本発明は、多層鋼（ＭＬＳ）ガスケットに関し、詳細には、改良された密封する特徴を示すＭＬＳガスケット材料に関する。

内燃機関動力式の車両において、燃料の消費および排出を低減させる傾向が、多くの部品の性能に増大された要求を提示した。使用されたより軽い合金は、一般に、等しいシリンダ圧縮比で、より大きい曲げを経験するが、エンジン・シリンダ・ブロックおよびヘッド・アセンブリ内に、より軽い材料を使用することによって、燃料の消費を低減させることが成功であることが示された。この低減された剛性は、ヘッド・アセンブリおよびシリンダ・ブロック内に追加の曲げをもたらし、ヘッド・アセンブリとシリンダ・ブロックの間でより大きな曲げをもたらし、したがって、相対的な曲げに対応するためにシリンダ・ヘッド・ガスケットに増大された要求をもたらすことがある。

エンジンの圧縮比を増加させることによって排出物質を低減させられることも、成功であることが示された。しかし、一般に、シリンダ圧力のこの増加は、ヘッド・アセンブリとシリンダ・ブロックの合わせ面の間の運動の増大をもたらす。これらの因子および他のものは、ＭＬＳシリンダ・ヘッド・ガスケット技術が絶え間ない技術革新の領域になるようにさせた。

エンジン・シリンダ・ボアの開口の円周にすぐ隣接するガスケット領域は、開口から径方向に遠いガスケット領域より、適切な密封を保証するために、相当に大きい応力にさらされる。エンジン・シリンダ・ボアの開口の円周にすぐ隣接するこれらのガスケットは、開口から径方向に遠いガスケット領域より、合わせ面の間で大きな変位も経験する。一般に、ＭＬＳガスケットは、適切な密封を保証するために、少なくとも１つのビード状の領域を組み込む。

合わせ面の間のこの変位は、活性層の内部に軸運動をもたらし、活性層と任意の隣接した面の間に微細運動を生成する。この運動は、ガスケットが合わせ面の間で繰り返し密封することを保証するために、ビード状の領域内に最小の耐久性を必要とする。

「活性層」とも呼ばれるビード状の領域を備える層は、適切な密封を保証するために、密封面に圧力を及ぼす。一般に、表面圧力がより高いほど、密封機能または密封能力はより優れている。一般に、シリンダ・ヘッド・アセンブリとシリンダ・ブロックの間のＭＬＳガスケットの密封は、しばしば、１６００°Ｆを越える温度にさらされる。

活性層用の材料の選択は、一般に、望ましい硬度、耐久性、ばね定数、延性（ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ）、軟化点（ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）および他の特徴のために限られる。慣習的に、使用へと発展した、入手できる望ましい材料の性質を考慮して材料は選択された。

発明の要約

ＭＬＳガスケットの活性層用の代表的な材料は、３０１ステンレス鋼（３０１ＳＳ）である。３０１ＳＳの引張強度は、約１３５０から１６００ＭＰＡの範囲であり、降伏強度は約１０５０から１２５０ＭＰＡの範囲である。３０１ＳＳは、エンジン動作の間、適切な性質を保持する能力があるが、ガスケットの密封可能性、信頼性および／または合わせ面の間の増加された変位に耐える能力を増加させるために、改良された材料が求められている。

本発明は、引張強度の約９０％より大きい降伏強度をもつＭＬＳ用の材料に関する。引張強度は約１０００ＭＰＡから約１１５０ＭＰＡの範囲である。

次に、本発明が添付の図面に関して一例として説明される。

図１は、シリンダ・ヘッド・ガスケットである金属ガスケット２０の実施形態を示す。ガスケット２０は、シリンダ・ヘッド・アセンブリ（図示せず）の合わせ面と内燃機関のシリンダ・ブロック（図示せず）との間に配置される。ガスケット２０は、少なくとも１つの金属層２４を含む。図示されたように、最も上の金属層２４だけが示される。各金属層２４は、複数のシリンダ開口２６、ボルト開口２８およびジャケット開口３０によって画定される。各ジャケット開口３０は、冷却流体または潤滑流体を運ぶことができる。金属層２４は、開口２６、２８、３０がほぼ一直線にそろえられるように配置される。

図２は、ガスケット２０が、第２金属層３２をさらに含むことを示す。第２金属層３２は、第１面３６と、第２面３８と、シリンダ領域面４０とを含む。第２金属層３２も、ビード領域４６と、ストッパ領域４８も含むように示される。図示されたように、ビード領域４６およびストッパ領域４８が軸方向Ａに延びる部分をもつ状態で、第２金属層３２は径方向Ｒに延びる。以下に非常に詳細に説明されるように、第２金属層３２は活性層として働く。

図１および２のガスケットの設置の間、ビード領域４６は、軸方向Ａに部分的に圧縮され、それによって、ビード領域４６を軸方向Ａに短縮させ、ビード領域４６の部分に径方向Ｒにいくらかの運動を経験させる。エンジン動作の間、合わせ面の間の軸方向Ａの相対運動は、合わせ面を適切に密封するために、ビード領域４６の部分が軸方向Ａに弾性的に運動することを必要とする。ビード領域４６の軸方向Ａのこの弾性的な運動は、第１面３６および第２面３８に接触する面に対して、径方向Ｒにビード領域４６の部分に微細運動を引き起こす。ビード領域４６がビード領域４６全体にわたって、十分な強度をもたないとき、亀裂および擦過が起こり得る。

第２金属層３２などの活性層に使用される材料の望ましい物理的性質を改良するために、理論的なシミュレーションが、ビード領域４６用の望ましい性質を識別するために行われた。金属の多くの物理的性質は、温度が数１００°Ｆを越えると、変化し、いくつかの物理的性質は、他のものに対して変化するので、材料の選択は、様々な競合因子によって複雑にされる。

これらの競合因子の１つは内部応力（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ）である。耐久性を改良するためには、内部応力を低減させるべきである。しかし、密封機能を改良するためには、ビード領域４６が軸方向Ａに加える表面圧力を対応して増加させるために、内部応力を増加させるべきである。

ビード領域４６の物理的性質を最適化するために、発明者によって行われたコンピュータのシミュレーションは、約１０００ＭＰＡ（１４５ｋｓｉ）から約１１５０ＭＰＡ（１６６ｋｓｉ）の範囲の（約７０°Ｆにおける）引張強度、および引張強度の少なくとも約９０％の降伏強度が、耐久性と密封機能の両方に対して最適化されたガスケットをもたらすことを指摘した。好ましくは、材料は、ガスケット動作温度において、これらのそれぞれの強度の約７０％を保持する。これらの性質は、適切な密封機能を保証するために、内部圧力を最小値に保つことによって決定された。

これらの材料は１０００ＭＰＡより小さい引張強度をもつが、テストは引張強度の９０％以内の降伏強度をもつ材料で行われた。これらの材料で製造されたガスケットの耐久性は適切だったが、密封能力は望ましいテストの要求に合わなかった。テストされた材料を越えた、引張強度および降伏強度の両方における増加をもつ材料が、望ましい耐久性および密封能力を備えるガスケットを製造することが予想される。

動作温度でこれらの望ましい性質を維持するインコネル（登録商標）などの他の材料も使用できるが、好ましくは、第２金属層３２用の材料は、オーステナイト系、マルテンサイト系、フェライト系であるものを含めたステンレス鋼である。

本発明は、本発明を実行する好ましいモードを含む特定の例に関して説明されたが、当分野の技術者は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲の内部にある、上で説明されたシステムおよび技術の多くの変形および変更があることを理解するであろう。

本発明の実施形態による多層スチールのシリンダ・ヘッド・ガスケットの部分図である。 明らかにするために層が分離された、線２−２に沿ってとられた図１のガスケットの断面図である。

Claims (2)

1. 車両のシリンダ・ヘッド・アセンブリと、シリンダ・ブロックと、前記シリンダ・ヘッド・アセンブリの合わせ面および前記シリンダ・ブロックの間に配置された多層スチール・ガスケットとを備え、
   前記多層スチール・ガスケットは、ビード領域を含む金属層を有し、
   前記金属層の前記ビード領域は、華氏約７０度（約２１．１℃）において、約１０００ＭＰＡから約１１５０ＭＰＡの範囲の所定の引張強度と前記引張強度の少なくとも約９０％の降伏強度とを持ち、ガスケット動作温度において、前記華氏約７０度（約２１．１℃）における引張強度の７０％の引張強度を保持し、前記華氏約７０度（約２１．１℃）における降伏強度の７０％の降伏強度を保持するステンレス材料で形成され、前記ガスケット動作温度は、華氏１６００度（約８７１．１℃）を超える温度である、ガスケットシステム。
2. 前記多層スチール・ガスケットが有する複数の金属層は、複数のシリンダ開口と、複数のボルト開口と、複数のジャケット開口とを含み、
   前記複数のジャケット開口は、それぞれ冷却流体または潤滑流体を運び、
   前記複数の金属層は、複数の開口がほぼ一直線にそろえられるように配置される、請求項１に記載のガスケットシステム。

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