ヘッドガスケット｜燃焼・潤滑・冷却を分離する要部

ヘッドガスケット

ヘッドガスケットは、シリンダーヘッドとシリンダーブロックの合わせ面に挟み、燃焼ガス・冷却水・潤滑油を同時に密封する中核部品である。燃焼圧力は瞬間的に数十MPaに達し、熱負荷と面圧の変動も大きい。よって材料・ビード形状・締結設計が適切でなければブローや内部リークが発生し、出力低下や冷却水混入、白煙・オーバーヒートを招く。ヘッドガスケットは密封と熱機械負荷の調停者として、エンジン信頼性を左右する。

Table Of Contents

ヘッドガスケット

構造と材料

ヘッドガスケットの主流はステンレス多層板のMLS（Multi Layer Steel）である。各層は0.1〜0.3mm程度で、燃焼室周りにファイヤーリングと呼ばれる高面圧領域を形成し、ビード（隆起）で弾性を確保する。従来は黒鉛系や繊維強化ゴム系の複合材も用いられたが、高出力化と高温化によりMLSが優勢である。表面にはフッ素系やニトリル系の薄膜コーティングを施し、微小な粗さ谷を埋めてミクロリークを抑える。

密封メカニズム

燃焼ガス：ファイヤーリングの局所高面圧でガスシールを確保する。
冷却水・オイル：ポート周囲のビードとコーティングで液封を行う。
熱・機械追従：ビードの弾性で熱膨張差やボルト荷重変動に追従する。

表面性状と平面度

合わせ面の表面粗さは一般にRa 0.8〜1.6μm程度が目安である。粗すぎればミクロリーク、細かすぎればコーティング保持が弱い。平面度の目安は全長で0.05mm程度までが実務的目標である。歪みや傷、デッキ面の段差は局所的な面圧低下を招き、ヘッドガスケットの寿命を縮める。

締結設計と面圧計算

シールは十分なクランプ荷重が前提である。ボルト本数・ピッチ・締付力を決め、燃焼圧やボア径から必要面圧を算出する。一般にシール部は数百MPa規模の接触圧を想定し、ビード高さ・幅で荷重分布を調整する。摩擦係数μは潤滑条件で0.12〜0.18程度に変化し、トルクから軸力への換算に大きく影響する。角度締め（トルク＋回転角）を併用するとばらつきが抑えられる。

ボルトと工具

ヘッドボルトは降伏域を利用する設計が多く、再使用不可としている場合がある。締付は対角順で段階的に行い、最終は角度法で仕上げる。管理には校正済みのトルクレンチを用いる。

故障モードと症状

ブロー（燃焼漏れ）：加速時の冷却水硬化やラジエータへ気泡、排気白煙。
冷却水・オイル相互混入：オイル乳化、冷却水の油膜、マヨネーズ状汚れ。
局所焼損・クラック：過熱や着火時期不正で発生、失火やノッキングの誘発。

主因の例

過熱・デトネーション、圧縮比過大、点火時期不適正。
締付不良・ボルト伸び、面粗さ不良、合わせ面の歪み。
部品劣化や冷却水管理不良（キャビテーション腐食）。

診断と検査

冷却系の加圧テスト、CO₂リークテスター、シリンダ間の圧縮圧力比較、プラグ点検が有効である。分解時はデッキ面・ヘッド面の平面度をストレートエッジとシックネスゲージで確認し、ポート周りの洗浄と傷点検を行う。MLSでは研磨過多がシール性を損ねるため、必要最小限の修正に留める。

交換手順の要点

冷却水・オイルを適切に抜き、補機を外す。タイミングを基準位置で固定。
ヘッドを規定手順で対角緩めし、古いヘッドガスケットを除去。
面の清掃は非金属スクレーパと溶剤を用い、異物・旧コーティングを除く。
新品を向き確認して載置。位置決めピンとポート位置を再確認。
ヘッドボルトを規定トルク→角度で締結し、再度角度管理を実施。
冷却水とオイルを規定で充填・エア抜きし、漏れと圧縮を再確認。

エンジン仕様との関係

高過給や高EGR、直噴化により燃焼圧は上昇傾向で、MLSのビード設計やファイヤーリングの材料選定が一層重要となる。ディーゼルエンジンは圧縮着火ゆえ面圧要求が厳しく、ボア間隔が小さい小型高出力機では荷重分布最適化が鍵である。ガソリンのノッキング制御もシール寿命に直結する。

設計実務の勘所

FEAでヘッド・ブロック・ボルトを含む熱機械連成を評価し、接触圧分布を確認する。
ビードは熱歪みの節点を跨ぐよう配置し、ポート間の狭小部で面圧を確保する。
ボルトピッチは燃焼室近傍を密にし、通水孔周りの荷重抜けを抑える。
組立ばらつき（μの散らし、熱時のクリープ）を見込み、設計余裕を確保する。