JP5991058B2 - 排気マニホールドガスケット - Google Patents

Description

本発明は排気マニホールドガスケットに関し、更に詳しくは、従来よりも遮熱性及びシール性を向上した排気マニホールドガスケットに関する。

現在、内燃機関を使用する自動車エンジンや産業エンジンなどにおける排ガス規制は年々厳しくなっているが、それに加えて近年では、世界的な地球温暖化への対策の一つとして、厳しい燃費規制の導入も検討されている。それらに対応するために各自動車メーカでは、エンジン性能であるエンジン燃費改善及びエンジン排ガス低減を目的とした様々なデバイスの研究開発が進められている。

前者の内燃機関の燃費改善には大きく分けて２つの手段がある。その１つはエンジン及び補機のフリクション低減であり、もう１つはエンジン本体の燃焼を改善することによる熱効率の向上である。フリクション低減については、吸排気バルブを停止してポンピングフリクションを低減するなどの非常に複雑なシステムが既に導入されている。また、熱効率の向上については、ハイブリッドシステムや排気エネルギー回収（ターボ、ターボコンパウンドや廃熱回収装置）などの技術が開発されている。このように近年ではエンジンの研究開発が進んでいるため、それぞれの手段は非常に高い領域に到達しており、今後選択できる燃費改善手段は非常に限られたものとなっている。

後者のエンジンの排ガス低減にも大きく分けて２つの手段がある。その１つは、エンジン本体で排ガスの排出量を低減させる方法（例えば、ＥＧＲシステム）であり、もう１つは後処理装置を用いて排ガスを低減させる方法である。各自動車メーカ及び各車両の戦略により、いずれかの方法が選択されることになるが、上述したように近年の排ガス規制は非常に厳しいため、それら両方の方法を同時に使用するケースが一般的となっている。

このように、厳しい排ガス規制に加えて燃費規制も導入されたことにより、燃費と排ガスを同時に改善しなければならなくなっている。しかし、燃費の改善を行うことは、燃焼効率の向上による排気損失の低減やエンジン燃料消費量の低減につながるため、結果としてエンジン排気温度の低下を招くことになる。エンジン排気温度が低下すると、エンジン後方に取り付けられた後処理において、排ガス温度の低下による排ガス浄化率が低減し、エンジンからの排ガスが増加してしまうことになる。すなわち、エンジンの燃費改善とエンジンの排ガス低減とは、トレードオフの関係にあり、それらを同時に改善することは技術的に非常に困難である。

ところで、内燃機関であるエンジンの燃焼室では、燃焼により発生する燃焼ガス温度は非常に高い領域に到達する。この燃焼室の構成部品であるシリンダーヘッドには、その上方に吸排気バルブやそれらを駆動するカムシャフト及びロッカーアームなどの動弁系システムが一体的に取り付けられている。これらの作動部品については、潤滑のためのオイルが供給されるとともに、水を冷媒とする冷却により温度が管理されている。一般的なエンジンにおける水による冷却は、シリンダーヘッド内に成形された冷却水路であるウォータジャケット内に冷却水を循環させて、シリンダヘッド全体を冷却することにより行われる。このときのシリンダーヘッドの冷却温度は、エンジンの設計で設定された温度範囲内にコントロールされ、シリンダーヘッド及びそれに備えられた部品の耐久性を確保するようになっている。逆に言えば、エンジンの燃焼ガスが最高温度に到達するエンジンの最大負荷の馬力ポイントにおいても、シリンダーヘッドは、その最高温度に対して非常に低いレベルの温度まで冷却されているため、大きな冷却損失を生じていることになる。

一方でエンジンには、上記のシリンダーヘッドで発生した燃焼ガスを収集してエンジン後方へ流す排気マニホールドが設けられている。この排気マニホールドの下流側には、ターボなどの排気エネルギー回収装置や排ガス浄化装置などのデバイスが配置されているのが一般的である。従って、排気マニホールドには、単に燃焼ガスを収集し後方へつなげる配管部品としての機能だけでなく、排ガスのエネルギー損失を防止してその温度低下を回避することにより、後方のデバイスの仕事量を十分に確保する（エネルギー保存する）機能も求められている。しかしながら、排気マニホールドの温度を実測すると、高温の燃焼ガスを導入する入口部の温度が出口部の温度よりも非常に低くなっていることが分かる。この事象は、上述したように、エンジンの運転負荷が増加し燃焼ガスの温度が上昇しても、エンジンのシリンダーヘッドは冷却されていることに起因するものである。

以上のことから、エンジンにおいては２つのエネルギー損失が発生していることが分かる。１つ目は、高温である燃焼ガスのエネルギー利用が十分可能であるにもかかわらず、シリンダーヘッドの冷却によって排気マニホールドの入口部も冷却してしまうため、排ガス温度の低下を招いて、排気エネルギーの損失を生じさせていることである。２つ目は、高温状態を保ちたい排気マニホールドを冷却することで、熱交換を行った媒体であるエンジン冷却水の温度が上昇してしまうため、エンジンの無駄な冷却損失を増大させていることである。

このようなエネルギー損失を改善する方策として、エンジンのシリンダーヘッドと排気マニホールドとの間に介装されるガスケットの遮熱性を向上することが考えられる。例えば、特許文献１は、低熱伝導度部材である軽量発泡コンクリートを金属板で挟持した排気マニホールドガスケットを提案している。

しかしながら、上記の排気マニホールドガスケットは、軽量発泡コンクリートの強度が低いことを補うため、構成部品の接合部面の全体でシリンダーヘッド等と接触させることで接触面積を増加させているので、排ガスのシールに必要とされる面圧を十分に確保できないという問題がある。また、軽量発泡コンクリートの全体を金属板でカバーする構造であるため、その金属板が熱の通路となってしまい、軽量発泡コンクリートの遮熱性が損なわれるという問題もある。

特開平８−００４９０１号公報

本発明の目的は、従来よりも遮熱性及びシール性を向上した排気マニホールドガスケットを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の排気マニホールドガスケットは、エンジンのシリンダヘッドの排気ポート部と排気マニホールドのストレートポート部との間に介装される排気マニホールドガスケットであって、ジルコニア系セラミックスからなる遮熱プレートと、対向する位置に互いに外側に凸となるようにビードが形成された一対の薄肉の鋼板を積層してなるビードプレートとを、両端面が前記ビードプレートになるように交互に積層し、それらの積層された遮熱プレート及びビードプレートを一対のアウタープレートで挟持してなることを特徴とするものである。

排気マニホールドガスケットにおける排ガスの通路に面する側の側面を、薄肉の鋼板からなるセットプレートで覆うことで、積層したプレート群が排ガスの通路に脱落するのを防止することができる。また、一対のアウタープレートの端部を折り曲げて、前述のセットプレートで覆われた側面と反対側の側面に沿ってそれぞれ延伸させるとともに、その延伸させた部分の間に隙間を設けることで、積層したプレート群が外部へ脱落するのを防止し、かつ遮熱性の低下を抑制することができる。

遮熱プレートにおけるビードプレートのビードと対向する表面に凸部を形成することで、本発明の効果を更に高めることができる。

本発明の排気マニホールドガスケットによれば、ジルコニア系セラミックスからなる遮熱プレートと、表面にビードが形成されたビードプレートとを交互に積層するようにしたので、ジルコニア系セラミックスにより従来よりも熱伝導度及び熱膨張係数が低くなり、かつ機械的強度が高くなるとともに、ビードにより部材間の伝熱面積が小さくなるため、遮熱性及びシール性を従来よりも向上することができる。

本発明の実施形態からなる排気マニホールドガスケットの平面図の例である。 本発明の実施形態からなる排気マニホールドガスケットを取り付けるディーゼルエンジンの一部断面図の例である。 本発明の実施形態からなる排気マニホールドガスケットの断面図である。 本発明の別の実施形態からなる排気マニホールドガスケットの断面図である。 本発明の実施形態からなる排気マニホールドガスケットの別の例の断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態からなる排気マニホールドガスケットを示す。

この排気マニホールドガスケット１は、排ガスが通過する通気穴２が中央部に形成された略楕円形のシール部３から構成されており、その両端部に形成されたボルト穴４に挿入される固定ボルトによりエンジンに取り付けられる。なお、図１は、６気筒ディーゼルエンジン用の排気マニホールドガスケットの例であり、全体形状はこれに限定されるものではない。

このような排気マニホールドガスケット１をディーゼルエンジンに取り付けた例を図２に示す。

このディーゼルエンジンは、シリンダブロック６の上面に固定されたシリンダヘッド７と、そのシリンダヘッド７に接続する排気マニホールド８とを備えている。シリンダブロック６の長手方向には、摺動可能なピストン９を収納する複数のシリンダ１０が形成されている。また、シリンダヘッド７には、シリンダ１０内で燃焼した排ガスが通過する排気ポート部１１が形成されているとともに、その排気ポート部１１を開閉する排気バルブ１２が取り付けられている。排気マニホールド８は、集合部に通じる分岐通路であるストレートポート部１３を介して排気ポート部１１と接続しており、それらの排気ポート部１１とストレートポート部１３とにより排ガスの通路１４が構成されている。なお、シリンダブロック６及びシリンダヘッド７には、それぞれ冷却水が流れるウォータジャケット１５が形成されている。

排気マニホールドガスケット１は、シリンダヘッド７の排気ポート部１１と、排気マニホールド８のストレートポート部１３との間にシール部３が介装されるようにして取り付けられる。

この排気マニホールドガスケット１は、図３に示すように、遮熱プレート１６の両面にそれぞれ順に積層されたインナービードプレート１７及びアウタービードプレート１８と、それらの積層されたプレート群１６、１７、１８を挟持する一対のアウタープレート１９、１９とから主に構成されている。なお、図３は、図２に示すＸ部に相当する排気マニホールドガスケット１の断面図である。

遮熱プレート１６は、ジルコニア系セラミックスの薄板から構成されている。ジルコニアの種類は特に限定するものではないが、温度変化に強いという観点から、安定化剤として希土類酸化物（例えば、酸化イットリウムなど）が添加された安定化ジルコニア又は部分安定化ジルコニアを用いることが好ましい。ジルコニア系セラミックスは、従来のガスケットに用いられている軽量発泡コンクリートなどの遮熱材よりも、熱伝導度及び熱膨張係数が低く、かつ機械的強度が高いという特性を有している。

インナービードプレート１７及びアウタービードプレート１８は、表面に環状に延びるビード２０、２１が形成された薄肉の鋼板からそれぞれ構成されており、対向するビード２０、２１が互いに外側へ凸となるように積層されている。これにより、遮熱プレート１６及びアウタープレート１９との間の伝熱面積が小さくなる。

一対のアウタープレート１９、１９は、薄肉の鋼板から構成されており、エンジンに取り付けたときに排気ポート部１１の端面及びストレートポート部１３の端面にそれぞれ当接する。

また、排気マニホールドガスケット１をエンジンに取り付けた際に排ガスの通路１４に面する側面には、極薄肉の鋼板からなる笠状のセットプレート２２が、一対のアウタープレート１９、１９の端部を挟持するようにして取り付けられており、積層されたプレート群１６、１７、１８が排ガスの通路１４へ脱落するのを防止している。更に、その反対側の側面においても、一対のアウタープレート１９、１９の端部を折り曲げて側面に沿ってそれぞれ延伸させることで、積層されたプレート群１６、１７、１８が外部へ脱落するのを防止している。なお、それらの延伸部１９ａ、１９ａは、伝熱経路とならないように、互いに接触することなく空隙２３を形成している。

このように、ジルコニア系セラミックスからなる遮熱プレート１６と、表面にビード２０、２１が形成されたビードプレート１７、１８とを交互に積層するようにしたので、ジルコニア系セラミックスの優れた熱的及び機械的特性と、ビード２０、２１による部材間の伝熱面積の低下との相乗効果により、排気マニホールドガスケット１の遮熱性及びシール性を従来よりも向上できるのである。

上記の効果を更に高めるには、図４に示すように、遮熱プレート１６におけるインナービードプレート１７のビード２０と対向する表面に凸部１６ａを形成することが考えられる。

なお、図３では、遮熱プレート１６が１層である実施形態を示しているが、排気マニホールドガスケット１の遮熱性を更に向上するためには、図５に示すように、遮熱プレート１６とビードプレート１７、１８とを、両端面がアウタービードプレート１８、１８となるように複数積層することが望ましい。なお、図５は遮熱プレート１６を３層積層する例を示しているが、個々の遮熱プレート１６の肉厚を薄くして数十層を積層することが効率的である。

また、本発明の実施形態からなる排気マニホールドガスケット１の遮熱性をより向上するためには、排気ポート部１１及びストレートポート部１３の長さをそれぞれ従来よりも短く設定し、かつ排気マニホールドガスケット１の厚さを大きくすることが有効である。

１ 排気マニホールドガスケット
６ シリンダブロック
７ シリンダヘッド
１１ 排気ポート部
１２ ストレートポート部
１４ 排ガスの通路
１６ 遮熱プレート
１７ インナービードプレート
１８ アウタービードプレート
１９ アウタープレート
２０、２１ ビード
２２ セットプレート
２３ 空隙

Claims (4)

1. エンジンのシリンダヘッドの排気ポート部と排気マニホールドのストレートポート部との間に介装される排気マニホールドガスケットであって、
   ジルコニア系セラミックスからなる遮熱プレートと、対向する位置に互いに外側に凸となるようにビードが形成された一対の薄肉の鋼板を積層してなるビードプレートとを、両端面が前記ビードプレートになるように交互に積層し、
   それらの積層された遮熱プレート及びビードプレートを一対のアウタープレートで挟持してなることを特徴とする排気マニホールドガスケット。
2. 前記排気マニホールドガスケットにおける排ガスの通路に面する側の側面を、薄肉の鋼板からなるセットプレートで覆うようにした請求項１に記載のガスケット。
3. 前記一対のアウタープレートの端部を折り曲げて、前記セットプレートで覆われた側面と反対側の側面に沿ってそれぞれ延伸させるとともに、その延伸させた部分の間に隙間を設けた請求項２に記載のガスケット。
4. 前記遮熱プレートにおける前記ビードプレートのビードと対向する表面に凸部を形成した請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスケット。

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