JP4640342B2 - 内燃機関のシール構造およびガスケット - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間にガスケットが配設されてなる内燃機関のシール構造および同ガスケットに関するものである。

シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に設けられるガスケットとして、複数の金属板によって構成される多層構造のものが知られている。こうしたガスケットとしては、例えば特許文献１には、シリンダヘッド側の金属板と、シリンダブロック側の金属板と、それらヘッド側ガスケットおよびブロック側ガスケットの間に配設された金属板とにより構成される三層構造のものが開示されている。

上記シリンダヘッド側の金属板およびシリンダブロック側の金属板には、その表面にそれぞれ同金属板より軟質の材料（例えばゴム材料）を付着させることによって、コーティング層が形成されている。こうしたコーティング層を形成することにより、内燃機関（シリンダブロックおよびシリンダヘッド）とガスケットとの密着の度合いが大きくなり、シリンダブロックおよびシリンダヘッドの間からの燃焼ガスや冷却水の漏れが好適に抑えられる。
特公平８−１６５１０号公報

ここで上記ガスケットには、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間からの燃焼ガスや冷却水の漏れをシールする機能に加えて、シリンダブロックの信頼性低下を抑えるべく、燃料の燃焼に伴う短周期のシリンダブロック（詳しくは、そのシリンダボア）の変形を抑える機能が求められる。そうした機能（シリンダブロックの変形を抑える機能）を十分に発揮させるためには、コーティング層をある程度硬い材料で形成する必要がある。ただし、コーティング層を形成する材料として、あまり硬い材料を採用すると、内燃機関とガスケットとの密着度合いが過度に小さくなるおそれがあり、その場合にはガスケットによる十分なシール性能が得られなくなってしまう。

内燃機関のシール構造では、そうしたガスケットに形成されるコーティング層の特性についての制約が、シール性能の向上やシリンダブロックの変形抑制を妨げる一因となっている。

なお、多層構造のガスケットが用いられるシール構造に限らず、表面にコーティング層が形成された一枚の金属板からなる単層構造のガスケットが用いられるシール構造にあっても、こうした実情は共通している。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シール性能を維持しつつシリンダブロックの変形を好適に抑えることのできる内燃機関のシール構造、および同シール構造に用いて好適なガスケットを提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、金属板とその表面に形成された同金属板より軟質の材料からなるコーティング層とを有するガスケットがシリンダブロックおよびシリンダヘッドの間に配設されてなる内燃機関のシール構造において、前記ガスケットの前記シリンダヘッド側の面のコーティング層が、同ガスケットの前記シリンダブロック側の面のコーティング層と比較して、横弾性係数の小さい材料により形成されることをその要旨とする。

上記構成によれば、ガスケットのシリンダヘッド側の面のコーティング層が横弾性係数の比較的小さい材料によって形成されるために、同コーティング層をシリンダヘッドの熱膨張に追従するように大きく変形させることができる。そのため、シリンダヘッドとガスケットとの密着度合いを大きくして同ガスケットによるシール性能を高く維持することができる。しかも、ガスケットのシリンダブロック側の面のコーティング層が横弾性係数の大きい材料によって形成されるために、同コーティング層の変形量（詳しくは、コーティング層に作用する剪断力に対する変形量）を小さく抑えることができ、短周期での燃焼圧力の発生に伴うシリンダブロックの変形を好適に抑えることができる。

なお上記コーティング層を形成する軟質の材料としては、例えばフッ素ゴムや、ニトリルゴム、シリコーンゴムなどのゴム材料を採用することができる。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関のシール構造において、前記ガスケットは、前記シリンダヘッドに対向する第１の金属板と、前記シリンダブロックに対向する第２の金属板と、前記第１の金属板および前記第２の金属板の間に配設される第３の金属板とを有する多層構造のものであり、前記第１の金属板および前記第２の金属板の表面にそれぞれ前記コーティング層が形成されてなることをその要旨とする。

上記構成によれば、近年多用されている多層構造のガスケットが採用される内燃機関のシール構造にあって、そのシール性能を維持しつつシリンダブロックの変形を好適に抑えることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関のシール構造において、
前記シリンダブロックは、シリンダボアを囲繞する形状のウォータジャケットが前記シリンダヘッド側の面において開口するオープンデッキ型のものであることをその要旨とする。

シリンダヘッド側の面におけるウォータジャケットの開口面積がごく小さい、あるいは「０」であるクローズドデッキ型のシリンダブロックが採用された内燃機関と比較して、オープンデッキ型のシリンダブロックが採用された内燃機関は、燃焼圧力の間欠的な発生に伴う短周期でのシリンダブロックの変形にかかる変形量が大きくなり易いために、前記コーティング層の特性の設定が困難になり易い。

上記構成によれば、そうしたオープンデッキ型のシリンダブロックが採用された内燃機関にあって、各コーティング層を異なる材料によって形成することにより、それらコーティング層の特性を容易に設定することができる。

請求項４に記載の発明は、金属板の表面に同金属板より軟質の材料からなるコーティング層が形成されてなり、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に配設されるガスケットにおいて、前記シリンダヘッド側の面のコーティング層が、前記シリンダブロック側の面のコーティング層と比較して、横弾性係数の小さい材料によって形成されてなることをその要旨とする。

上記構成によれば、シリンダヘッド側の面のコーティング層が横弾性係数の比較的小さい材料によって形成されるために、同コーティング層をシリンダヘッドの熱膨張に追従するように大きく変形させることができる。そのため、シリンダヘッドとガスケットとの密着度合いを大きくすることができ、シール性能を高く維持することができる。しかも、シリンダブロック側の面のコーティング層が横弾性係数の大きい材料によって形成されるために、同コーティング層の変形量（詳しくは、コーティング層に作用する剪断力に対する変形量）を小さく抑えることができ、短周期での燃焼圧力の発生に伴うシリンダブロックの変形を好適に抑えることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のガスケットにおいて、前記シリンダヘッドに対向する第１の金属板と、前記シリンダブロックに対向する第２の金属板と、前記第１の金属板および前記第２の金属板の間に配設される第３の金属板とを有する多層構造に形成されてなり、前記第１の金属板および前記第２の金属板の表面にそれぞれ前記コーティング層が形成されてなることをその要旨とする。

上記構成によれば、多層構造のガスケットにより、シール性能を維持しつつシリンダブロックの変形を好適に抑えることができる。

以下、本発明にかかるシール構造およびガスケットを具体化した一実施の形態について説明する。
図１に、本実施の形態が適用される内燃機関の構成を示す。

同図１に示すように、内燃機関１０はシリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とを備えている。また、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２との間にはガスケット２０が配設されている。

図２は、内燃機関１０の分解斜視構造を示している。
同図２に示すように、上記シリンダブロック１１の内部には複数（本実施の形態では４つ）のシリンダボア１３が形成されている。またシリンダブロック１１の内部には、各シリンダボア１３の周囲を囲繞する形状のウォータジャケット１４が形成されている。さらに、シリンダブロック１１には、その外部から上記ウォータジャケット１４の内部に冷却水を導入するための導入口１５が設けられている。なお本実施の形態では、シリンダブロック１１として、そのシリンダヘッド１２側の面において上記ウォータジャケット１４が開口するオープンデッキ型のものが採用されている。

シリンダブロック１１の上記シリンダヘッド１２側の面には、内部に雌ねじが形成された複数（本実施の形態では１０個）の締結穴１６が設けられている。また、シリンダヘッド１２における上記各締結穴１６に対応する位置には、それぞれボルト孔（図示略）が形成されている。さらに、ガスケット２０における上記各締結穴１６に対応する位置には、それぞれボルト孔２１が形成されている。

上記内燃機関１０にあっては、ボルト（図示略）が、シリンダヘッド１２のボルト孔およびガスケット２０のボルト孔２１に挿通された状態で上記シリンダブロック１１の締結穴１６に螺合されている。これにより、シリンダブロック１１とガスケット２０との間、およびシリンダヘッド１２とガスケット２０との間にそれぞれ高い面圧が生じるように、ガスケット２０がシリンダブロック１１とシリンダヘッド１２との間に配設された状態で、それらシリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２が締結固定されている。

本実施の形態では、このようにガスケット２０を配設することにより、シリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２の隙間がシールされて、同隙間を介したシリンダボア１３内部から外部への燃焼ガスの漏れやウォータジャケット１４内部から外部への冷却水の漏れが防止される。

ちなみに、シリンダブロック１１の上記シリンダヘッド１２側の面、シリンダヘッド１２の上記シリンダブロック１１側の面、およびガスケット２０には、互いに対応する位置にそれぞれ、シリンダブロック１１内部とシリンダヘッド１２内部との間でブローバイガスを流通させるためのガス孔や、潤滑オイルを流通させるためのオイル孔（共に図示略）等も設けられている。

以下、ガスケット２０の構造について詳細に説明する。
図３に、図２のＡ−Ａ線に沿う断面におけるガスケット２０の端面構造を示す。
同図３に示すように、本実施の形態のガスケット２０としては、五枚の金属板（シリンダヘッド１２側から順に、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ）が重ねられた五層構造のものが採用されている。これら金属板２２ａ〜２２ｅは、いずれもステンレス鋼板によって形成されている。

それら五枚の金属板のうちのシリンダヘッド１２側の二枚の金属板２２ａ，２２ｂおよびシリンダブロック１１側の金属板２２ｅには、内周ビード部２３ａ，２３ｂ，２３ｅと外周ビード部２４ａ，２４ｂ，２４ｅとが形成されている。これら内周ビード部２３ａ，２３ｂ，２３ｅおよび外周ビード部２４ａ，２４ｂ，２４ｅはいずれも、金属板２２ａ，２２ｂ，２２ｅの一部を突出した形状とすることにより形成される。

これら内周ビード部２３ａ，２３ｂ，２３ｅや外周ビード部２４ａ，２４ｂ，２４ｅが設けられた部分にあっては、他の部分と比較して、ガスケット２０と内燃機関１０（詳しくは、シリンダブロック１１やシリンダヘッド１２）との対向面間に生じる面圧、あるいは各金属板間に生じる面圧が高くなり、シール機能が高くなる。

内周ビード部２３ａ，２３ｂ，２３ｅは、シリンダボア１３とウォータジャケット１４（共に図２参照）との間の部分にあって同シリンダボア１３を囲繞する形状に延設される。こうした内周ビード部２３ａ，２３ｂ，２３ｅが設けられることにより、シリンダボア１３内部からの燃焼ガスの漏れが好適に防止される。

外周ビード部２４ａ，２４ｂ，２４ｅはウォータジャケット１４を囲繞する形状に延設される。この外周ビード部２４ａ，２４ｂ，２４ｅを設けることにより、ウォータジャケット１４内部から内燃機関１０の外部への冷却水の漏れが好適に防止される。

また、五枚の金属板のうちのシリンダヘッド１２側の二枚の金属板２２ａ，２２ｂおよびシリンダブロック１１側の金属板２２ｅには、その表面にコーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅが形成されている。このコーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅは、金属板２２ａ，２２ｂ，２２ｅより軟質な材料（具体的には、フッ素ゴム）を用いてほぼ均一な厚さに形成されている。

一方、五枚の金属板のうちのシリンダヘッド１２側の二枚の金属板２２ａ，２２ｂとシリンダブロック１１側の金属板２２ｅとを除く金属板２２ｃ，２２ｄ、すなわち金属板２２ａ，２２ｂと金属板２２ｅとの間に配設される金属板２２ｃ，２２ｄには、内周ビード部や外周ビード部、並びにコーティング層が形成されない。

なお図３にあっては、理解を容易にするために、各金属板２２ａ〜２２ｅの厚さや、各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅの厚さを実際よりも厚く示している。また、本実施の形態では、金属板２２ａがシリンダヘッドに対向する第１の金属板として機能し、金属板２２ｅがシリンダブロックに対向する第２の金属板として機能し、金属板２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが第１の金属板および前記第２の金属板の間に配設される第３の金属板として機能する。

本実施の形態では、各金属板２２ａ，２２ｂ，２２ｅのコーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅが、横弾性係数の異なる材料を用いて形成される。具体的には、シリンダヘッド１２側の二枚の金属板２２ａ，２２ｂのコーティング層２５ａ，２５ｂが、シリンダブロック１１側の金属板２２ｅのコーティング層２５ｅと比較して、横弾性係数の小さい材料により形成される。

図４に、各形成材料の特性（具体的には、作用する剪断荷重と変形量との関係）を示す。なお同図４にあって、線Ｌ１はシリンダヘッド１２側の金属板２２ａ，２２ｂのコーティング層２５ａ，２５ｂの形成材料の特性を示し、線Ｌ２はシリンダブロック１１側の金属板２２ｅのコーティング層２５ｅの形成材料の特性を示している。

図４から明らかなように、同一の剪断荷重が作用した場合においてコーティング層２５ａ，２５ｂの形成材料の変形量が上記コーティング層２５ｅの形成材料の変形量と比較して大きくなるように、各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅの形成材料が選択されている。ちなみに本実施の形態のようにコーティング層の形成材料としてフッ素ゴムなどのゴム材料を用いる場合には、これに含まれる充填剤や添加剤などの量を変更することにより、横弾性係数を変更することができる。

以下、上述したガスケット２０（図３）を設けることによる作用について説明する。
内燃機関１０の運転中においては熱膨張量の差などに起因して、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２、およびガスケット２０が互いに相対移動する。

そのうちのシリンダヘッド１２とガスケット２０との相対移動は、主に内燃機関１０の温度上昇に伴う熱膨張量の差によって生じる。そのため、その相対移動は比較的ゆっくりとした速度で進む。

この点をふまえて本実施の形態では、ガスケット２０を構成する五枚の金属板のうちの上記シリンダヘッド１２側の二枚の金属板２２ａ，２２ｂのコーティング層２５ａ，２５ｂが横弾性係数の比較的小さい材料によって形成されている。そのため、同コーティング層２５ａ，２５ｂを上記シリンダヘッド１２の変形に追従するように大きく変形させることができ、これによってシリンダヘッド１２とガスケット２０との密着度合いが大きい状態を維持することにより、同ガスケット２０によるシール性能を高く維持することができる。

一方、シリンダブロック１１とガスケット２０との相対移動は、シリンダボア１３（図２参照）内部での燃焼圧力の間欠的な発生に伴うシリンダブロック１１の周期的な変形を一因として生じる。そのため、シリンダブロック１１とガスケット２０とは、ごく短い周期で相対移動する。

本実施の形態では、ガスケット２０を構成する五枚の金属板のうちの上記シリンダブロック１１側の金属板２２ｅのコーティング層２５ｅが横弾性係数の大きい材料によって形成されており、同コーティング層２５ｅの変形量が小さく抑えられる。そのため、シリンダブロック１１とガスケット２０との相対移動量を少量に抑えることができ、ひいては上述した短周期でのシリンダブロック１１の変形を好適に抑えることができる。

なお、各コーティング層の変形量を相違させるための構成としては、それらコーティング層を同一の材料によって形成するとともに、シリンダヘッド側の金属板のコーティング層と比較して、シリンダブロック側の金属板のコーティング層を薄く形成することも考えられる。

ただし、こうした構成はシリンダブロック側の金属板のコーティング層が薄くなり易く、シリンダブロックとガスケットとの密着の度合いが小さくなり易いために、十分なシール性能が得られなくなるおそれがある。また、シリンダヘッド側の金属板のコーティング層が厚くなり易いために、同コーティング層が劣化した場合においてボルト締め付け力の過度の低下を招き易い。

この点、本実施の形態では、特性の異なる形成材料を用いて各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅを形成することによって、各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅの変形量を相違させるようにしたために、それらコーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅを適切な厚さに設定することができる。したがって、上述したシール性能の不足やボルト締め付け力の過度の低下を招く可能性を低く抑えることができる。

また本実施の形態の内燃機関１０は、オープンデッキ型のシリンダブロック１１が採用されているため、シリンダヘッド側の面におけるウォータジャケットの開口面積がごく小さい或いは「０」であるクローズドデッキ型のシリンダブロックが採用された内燃機関と比較して、燃焼圧力の発生に伴うシリンダブロック１１の変形量が大きくなり易い。そのため、各コーティング層を同一の材料で形成した場合、同材料の特性設定が困難になり易いと云える。この点、本実施の形態によれば、各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅを異なる材料によって形成することにより、それらコーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅの形成材料の特性を比較的容易に設定することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）シリンダヘッド１２側の金属板２２ａ，２２ｂのコーティング層２５ａ，２５ｂを、シリンダブロック１１側の金属板２２ｅのコーティング層２５ｅと比較して、横弾性係数の小さい材料により形成するようにした。そのため、シリンダヘッド１２とガスケット２０との密着度合いが大きい状態を維持して、同ガスケット２０によるシール性能を高く維持することができる。しかも、シリンダブロック１１側の金属板２２ｅのコーティング層２５ｅの変形量を小さく抑えることができ、短周期での燃焼圧力の発生に伴うシリンダブロック１１の変形を好適に抑えることができる。

（２）各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅの形成材料の特性設定が困難になり易いオープンデッキ型のシリンダブロック１１が採用される内燃機関において、それらコーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅの形成材料の特性を容易に設定することができる。

なお、上記実施の形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・各内周ビード部２３ａ，２３ｂ，２３ｅや各外周ビード部２４ａ，２４ｂ，２４ｅの形成態様は任意に変更することができる。

・各内周ビード部２３ａ，２３ｂ，２３ｅおよび各外周ビード部２４ａ，２４ｂ，２４ｅの一部あるいは全部を省略することが可能である。
・各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅを形成する材料として、例えばニトリルゴムやシリコーンゴムなど、フッ素ゴム以外の種類のゴム材料を採用することができる。また、ゴム材料の他、各種のエストラマーを用いて各コーティング層２５ａ，２５ｂ，２５ｅを形成するようにしてもよい。さらに、各コーティング層の形成材料として、例えばフッ素ゴムとニトリルゴムとを用いたり、ゴム材料とエストラマーとを用いたりするなど、異種の材料を用いることもできる。

・金属板２２ｂとして、コーティング層２５ｂが形成されていないものを用いるようにしてもよい。
・最もシリンダブロック側に配設される金属板と最もシリンダヘッド側に配設される金属板とにそれぞれコーティング層が形成されているガスケットであれば、二〜四層構造のガスケットや六層以上の多層構造のガスケット、およびそうしたガスケットが用いられる内燃機関のシール構造にも、本発明は適用することができる。

・本発明は、最もシリンダブロック側に配設される金属板の同シリンダヘッド側の面と最もシリンダヘッド側に配設される金属板の同シリンダヘッド側の面とにそれぞれコーティング層が形成されたガスケット、および同ガスケットが用いられる内燃機関のシール構造であれば適用可能である。

・本発明は、単層構造のガスケットおよび同ガスケットが用いられる内燃機関のシール構造にも適用することができる。この場合、ガスケットのシリンダヘッド側の面のコーティング層を、同ガスケットのシリンダブロック側の面のコーティング層と比較して、横弾性係数の小さい材料により形成するようにすればよい。

・１〜３つの気筒を有する内燃機関や、５つ以上の気筒を有する内燃機関にも、本発明は適用することができる。

本発明を具体化した一実施の形態にかかるシール構造およびガスケットが適用される内燃機関の斜視構造を示す斜視図。 同内燃機関の分解斜視構造を示す分解斜視図。 図２のＡ−Ａ線に沿った断面におけるガスケットの端面構造を拡大して示す端面図。 各コーティング層の形成材料の特性を示すグラフ。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…シリンダブロック、１２…シリンダヘッド、１３…シリンダボア、１４…ウォータジャケット、１５…導入口、１６…締結穴、２０…ガスケット、２１…ボルト孔、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ…金属板、２３ａ，２３ｂ，２３ｅ…内周ビード部、２４ａ，２４ｂ，２４ｅ…外周ビード部、２５ａ，２５ｂ，２５ｅ…コーティング層。

Claims (5)

1. 金属板とその表面に形成された同金属板より軟質の材料からなるコーティング層とを有するガスケットがシリンダブロックおよびシリンダヘッドの間に配設されてなる内燃機関のシール構造において、
   前記ガスケットの前記シリンダヘッド側の面のコーティング層が、同ガスケットの前記シリンダブロック側の面のコーティング層と比較して、横弾性係数の小さい材料により形成される
   ことを特徴とする内燃機関のシール構造。
2. 請求項１に記載の内燃機関のシール構造において、
   前記ガスケットは、前記シリンダヘッドに対向する第１の金属板と、前記シリンダブロックに対向する第２の金属板と、前記第１の金属板および前記第２の金属板の間に配設される第３の金属板とを有する多層構造のものであり、前記第１の金属板および前記第２の金属板の表面にそれぞれ前記コーティング層が形成されてなる
   ことを特徴とする内燃機関のシール構造。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関のシール構造において、
   前記シリンダブロックは、シリンダボアを囲繞する形状のウォータジャケットが前記シリンダヘッド側の面において開口するオープンデッキ型のものである
   ことを特徴とする内燃機関のシール構造。
4. 金属板の表面に同金属板より軟質の材料からなるコーティング層が形成されてなり、内燃機関のシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に配設されるガスケットにおいて、
   前記シリンダヘッド側の面のコーティング層が、前記シリンダブロック側の面のコーティング層と比較して、横弾性係数の小さい材料によって形成されてなる
   ことを特徴とするガスケット。
5. 前記シリンダヘッドに対向する第１の金属板と、前記シリンダブロックに対向する第２の金属板と、前記第１の金属板および前記第２の金属板の間に配設される第３の金属板とを有する多層構造に形成されてなり、前記第１の金属板および前記第２の金属板の表面にそれぞれ前記コーティング層が形成されてなる
   請求項４に記載のガスケット。

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