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Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator für ein Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.
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Gasgeneratoren dieser Art sind entweder Festtreibstoffgeneratoren oder sogenannte Hybrid-Generatoren mit einer Brennkammer mit Festtreibstoff und mit Druckgas. Der Anzünder erzeugt bei seiner elektrischen Aktivierung heißes Gas und Partikel, die in der Brennkammer den pyrotechnischen Treibsatz entzünden. Üblicherweise besteht das pyrotechnische Festtreibstoffbett aus einer losen, d. h. chaotischen Schüttung kleiner Festtreibstofftabletten. Das Festtreibstoffbett wird von einer Seite gezündet, und das entstehende Gas strömt dann durch den noch nicht entzündeten Teil des Festtreibstoffs, der die Abströmung des entstehenden Gases mehr oder weniger behindert. Insbesondere bei Brennkammern, die lang gestreckt sind und von einer Stirnseite her angezündet werden, also Brennkammern mit einem im Verhältnis zu ihrer Länge geringen Querschnitt, kann es zu einem Zurückstauen des Gases kommen. Man spricht hier von einer sogenannten „Klemmung”, bei der erzeugtes Gas nicht schnell genug abgeführt werden kann. Darüber hinaus kann es zu Nachbrennerscheinungen kommen. Der Gasstau kann auch zum Verdichten der Tabletten und zu einem Bruch von einzelnen Tabletten führen, sodass während des Zündens eine Verdichtung des noch nicht gezündeten Treibstoffs stattfindet, was obige Effekte noch verstärkt. Es kommt damit zu einem langsameren Abbrand des Treibstoffs aufgrund der geringeren Oberfläche, sodass der Druckanstieg des ausströmenden Gases negativ beeinflusst werden kann. Auch die Reproduzierbarkeit des Druckverlaufes, bezogen auf das aus dem Gasgenerator ausströmende Gas, wird erschwert.
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Die
EP 0 997 356 B1 oder die
US 5 882 036 schlagen deshalb vor, zwischen der Innenseite der Brennkammerwand und dem Festtreibstoffbett noch einen filterartigen Abstandshalter einzubauen, der radial von der Innenseite der Brennkammerwand beabstandet ist und für Ausströmkanäle sorgt. Über diese Kanäle kann das entstehende Gas schnell zu anderen Bereichen des Treibstoffsatzes strömen und diese entzünden, oder das Gas kann auch schnell ohne Behinderung durch den restlichen Treibstoff über die Kanäle ausströmen.
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Der Aufwand für eine solche Konstruktion soll durch die Erfindung verringert werden, denn die zylindrischen Filterelemente müssen relativ stabil ausgeführt sein, um bei dem entstehenden Druck in ihrem Inneren nicht radial nach außen gegen die Innenseite der Brennkammerwand gedrückt zu werden und den oder die Kanäle einzuengen oder zu verschließen.
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Weiters beschreibt die
DE 195 28 864 einen Gasgenerator mit einer Brennkammer, welche Feststoff-Tabletten enthält. Eine Federplatte ist derart in die Brennkammer eingeschoben, dass sie die Feststoff-Tabletten von der Innenwand der Brennkammer trennt.
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Zudem zeigt die
DE 29 08 075 einen Gasgenerator mit einem Anzünder und einer diesem Anzünder zugeordneten Brennkammer, welche ein pyrotechnisches Festtreibstoffbett (Pellets) enthält, sowie ein in der Brennkammer angeordnetes elastisches Wandteil (zylindrische Wendelfeder), das in seinem Inneren einen in das Festtreibstoffbett hineinreichenden Gasführungskanal (Raum zwischen der Wendelfeder und dem Anzünder) aufweist. Das elastische Wandteil erstreckt sich in einem nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators in einen nahe dem Anzünder gelegenen Bereich des Festtreibstoffbettes. Ein solcher Gasgenerator, wie er aus der
DE 29 08 075 bekannt ist, hat zum Nachteil, dass nach Aktivierung des Anzünders dessen freigesetzte Anzündgase, welche das Festtreibstoffbett (die Pellets) anzünden sollen, nicht direkt Bereiche des Festtreibstoffbettes erreichen, die sich weiter weg vom Anzünder befinden. Somit wird, je länger die Brennkammer ist, eine längere Zeit vergehen, bis solche Pellets, die weiter weg vom Anzünder liegen, angezündet werden können.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Anzünd- und Abbrandverhalten eines Festtreibstoffbettes bei einem Gasgenerator der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Gasgenerator der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Das Wandteil bei der Erfindung ist im Gegensatz zu den Filtern im Stand der Technik beweglich angeordnet und dringt ”tiefer” in das Festtreibstoffbett ein. Durch die Bewegung in Strömungsrichtung setzt das Wandteil der Gasströmung einen geringen Widerstand entgegen, sodass die Belastung des Wandteils geringer ist als die der Filter im Stand der Technik. Um die vorher erwähnte Klemmung zu vermeiden und ein schnelles Anzünden des Gases sicherzustellen, bewegt sich das Wandteil in das Festtreibstoffbett hinein und ermöglicht es, den Treibstoff von einer anderen Seite aus anzuzünden als über die sich gleichmäßig hinwegbewegende Flammfront. Der Gasführungskanal kann zum Beispiel im Inneren des durch das Wandteil gebildeten Raumes oder zwischen Innenseite der Brennkammerwand und Außenseite des Wandteils gebildet werden. Über die Größe des Wandteils lassen sich auch sehr einfach und schnell Ausströmparameter des Gasgenerators einstellen.
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Damit das Wandteil der Strömung einen geringen Widerstand entgegensetzt, sollte es Öffnungen besitzen, die wenigstens 50% der Umhüllenden der Brennkammer freigeben. Die Umhüllende wäre beispielsweise bei einer zylindrischen Wand die Umfangsfläche sowie die beiden Stirnseiten. 50% dieser Fläche sollten zumindest aus Durchströmöffnungen oder freien Seiten bestehen.
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Das Wandteil kann natürlich auch als Filter oder Vorfilter dienen. Auch über die geometrische Form des Wandteils lässt sich übrigens der Abbrand kontrollieren.
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Der erfindungsgemäße Gasgenerator hat eine Brennkammer, deren Länge vorzugsweise wenigstens dem Dreifachen des größten Querschnitts entspricht.
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Die anfängliche, im nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators bestehende Länge des Wandteils (in Bewegungsrichtung gemessen) sollte vorzugsweise maximal 80% der Länge des Festtreibstoffbettes sein, um noch genügend Bewegungsstrecke zur Verfügung zu haben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Wandteil hohl und zumindest bei der Bewegung radial abschnittsweise offen ist, um heißes Gas zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Abschnitt der Brennkammer strömen zu lassen. Dieses heiße Gas dient dann der Anzündung des noch nicht aktivierten Abschnitts des Festtreibstoffs. Dieser noch nicht gezündete Teil kann der radial äußere oder der radial innere Abschnitt sein.
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Das Wandteil ist beispielsweise so ausgeführt, dass es sich als Gesamtheit in der Brennkammer bewegt.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu kann das Wandteil elastisch ausgeführt sein und sich im Festtreibstoffbett ausdehnen. Dabei wäre es möglich, das Wandteil an einem Ende fest mit der Brennkammerwand oder einem anderen feststehenden Teil des Gasgenerators zu verbinden. Das Wandteil würde dann durch die Strömung ausgedehnt werden, um den Gasführungskanal in das Festtreibstoffbett einzutreiben.
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Ein Beispiel für ein solches elastisches Wandteil ist eine Feder, insbesondere eine Schraubenfeder, die an einem axialen Ende beweglich ist und sich beim Zünden axial ausdehnt. Die Schraubenfeder kann zylindrisch ausgeführt sein oder kegelig.
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Wenn das Wandteil ein offenes Einströmende hat, welches insbesondere ein axiales Ende ist, gelangt das Gas ohne Strömungswiderstand sofort in das Innere des Wandteils, um dieses dann zu bewegen, wobei aber Bewegung, wie zuvor erläutert, auch Ausdehnung sein kann.
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Am dem Einströmende entgegengesetzten Ausströmende lässt sich das Wandteil ebenfalls offen oder geschlossen ausbilden. Mit dem Ausströmende voraus bewegt sich das Wandteil dann weiter in das Festtreibstoffbett hinein.
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Die Brennkammer hat eine sogenannte Zünderseite, und das Wandteil wird bei Aktivierung des Gasgenerators von einer Stellung, die näher zur Zünderseite ist, in eine von der Zünderseite entferntere Stellung bewegt. Eine andere Ausführungsform sähe vor, dass durch Gasumlenkung das Gas zur Bewegung des Wandteils nicht von der Zünderseite auf das Wandteil trifft.
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Die Anordnung des Anzünders, die Geometrie der Innenwände und die Anordnung der Ausströmöffnungen ergibt in der Brennkammer eine Hauptströmungsrichtung. Das Wandteil sollte gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in dieser Hauptströmungsrichtung bewegt werden, um eine Gasumlenkung zu vermeiden.
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Damit die Bewegung des Wandteils möglichst reproduzierbar erfolgt, ist insbesondere eine Halterung vorgesehen.
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Diese Halterung kann eine Führung, insbesondere eine Linearführung sein. Alternativ ist auch eine einseitige Befestigung des Wandteils möglich. An diesem einseitigen Befestigungsende wäre das Wandteil dann permanent befestigt. Diese Lösung ist insbesondere für die zuvor erwähnte elastische Ausführung des Wandteils vorteilhaft.
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Eine Ausführungsform des Wandteils sieht vor, dieses als hohlen, zylindrischen Körper auszuführen, über dessen eine Stirnseite erzeugtes Gas einströmt.
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Das Wandteil kann sich zumindest auf einem Teil seiner Außenseite an der Brennkammerwand abstützen. Die Brennkammerwand bildet dann eine Halterung und eine Führung für das Wandteil.
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Im nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators kann sich innerhalb des Wandteils bereits Treibstoff befinden, d. h. im Inneren des Wandteils muss noch kein freigelegter Gasführungskanal gebildet sein. Dies macht den erfindungsgemäßen Gasgenerator kompakter, da die Brennkammer durch das Wandteil keine zusätzliche Vergrößerung erfährt.
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Im nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators sollte das Wandteil an eine Trennwand zum Anzünder angrenzen, um einen definierten Anfangszustand zu besitzen und um sicherzustellen, dass das Wandteil möglichst schnell vom bereits durch den vom Anzünder erzeugte Gas bewegt wird.
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Die Trennwand kann wenigstens eine Durchströmöffnung haben, die in das Innere des Wandteils mündet.
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Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Im Folgenden werden die Einzelheiten und Vorteile der Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator gemäß einer ersten Ausführungsform im nicht aktivierten Zustand,
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2 eine Längsschnittansicht durch den Gasgenerator nach 1 im aktivierten Zustand,
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3 eine Frontansicht des Wandteils beim Gasgenerator nach 1,
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4 eine Seitenansicht des Wandteils nach 3,
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5 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator gemäß einer zweiten Ausführungsform im nicht aktivierten Zustand,
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6 eine Längsschnittansicht durch den Gasgenerator nach 5 im aktivierten Zustand,
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7 eine Frontansicht des Wandteils beim Gasgenerator nach 5,
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8 eine Seitenansicht des Wandteils nach 7,
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9 eine Längsschnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gasgenerator gemäß einer dritten Ausführungsform im nicht aktivierten Zustand,
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10 eine Längsschnittansicht durch den Gasgenerator nach 9 im aktivierten Zustand,
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11 eine Detailansicht des Wandteils des Gasgenerators nach 6 im nicht aktivierten Zustand,
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12 eine Detailansicht des Wandteils nach 11 im aktivierten Zustand, und
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13 eine Längsschnittansicht durch den Gasgenerator gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In 1 ist ein Gasgenerator in Form eines langgestreckten Rohrgasgenerators gezeigt. Das Außengehäuse 10 hat eine Gesamtlänge, die mehr als das Vier-Fache, insbesondere mehr als das Acht-Fache des Durchmessers besitzt. An dem in 1 linken Ende ist ein Anzünder 12 angeordnet. Der Anzünder 12 ist eine vorgefertigte, in sich geschlossene Einheit. An den Anzünder 12 grenzt eine Anzünderkammer 14 an, die mit Festtreibstoff 16 gefüllt ist. Die Anzünderkammer 14 wird über eine scheibenartige Trennwand 18 von einer angrenzenden, langgestreckten Brennkammer 20 getrennt. Die Brennkammer 20 besitzt eine Gesamtlänge L, die wenigstens dreimal so groß ist wie die größte Erstreckung im Querschnitt. Da im Ausführungsbeispiel die Brennkammer 20 einen zylindrischen Außenumfang hat, ist der Durchmesser D das Vergleichsmaß.
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Die Brennkammer 20 ist mit einem pyrotechnischen Festtreibstoffbett 22 gefüllt. Das Festtreibstoffbett 22 besteht aus einer Schüttung einzelner Treibstofftabletten.
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In der Brennkammer 20 ist ein Wandteil 24 in axialer Richtung beweglich angeordnet.
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Das hohle Wandteil 24 ist in den 3 und 4 genauer zu sehen. Es hat bei dieser Ausführungsform eine im Wesentlichen zylindrische, ringförmige Umfangswand 26 mit zahlreichen Öffnungen 28. Die beiden Stirnseiten 30, 32 an dem Einström- bzw. Ausströmende sind komplett offen. Im Bereich des Einströmendes ist an der Umfangswand 26 ein axial abstehender Bund 34 angeformt, was durch entsprechendes Umformen des Rohrendes leicht zu fertigen ist. Mit diesem Bund 34 liegt das Wandteil somit mit einem Teil seines Außenumfangs an der Innenseite des Außengehäuses gleitverschieblich an. Der Rest der Umfangswand 26 liegt von der Innenseite der Außenwand 10 geringfügig beabstandet.
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Die Länge l des Wandteils 24 entspricht maximal 80% der Länge L der Brennkammer 20.
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In der in 1 gezeigten nicht aktivierten Stellung des Gasgenerators liegt das Wandteil 24 mit seiner linken Stirnseite 30 an der Trennwand 18 an. Die Trennwand 18 hat eine Durchströmöffnung 38, die in das Innere des Wandteils 24 mündet. Das Innere des Wandteils 24 ist durch die Umfangswand 26 definiert.
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Der Festtreibstoff in der Brennkammer 20 füllt nicht nur das hohle Innere des Wandteils 24, sondern auch den Abschnitt 42 der Brennkammer zwischen der Stirnwand 32 und einer verschieblichen, gasdurchlässigen Wand 44 ist mit Treibstoff gefüllt. In der Ringkammer 40 ist jedoch kein Festtreibstoff untergebracht, hierzu ist die Ringkammer zu schmal.
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Die Wand 44 ist beispielsweise eine gelochte Scheibe. An sie grenzt ein sogenannter Füllkörper 46 an, der die Wand 44 gegen das Festtreibstoffbett 22 drückt und es vorspannt. Der Füllkörper 46 ist beispielsweise eine Feder. Die Feder umgibt ein Kegelsieb 48, das an eine mit einer zentrischen Öffnung 52 versehene Wand 50 angrenzt. Die Wand 50 wiederum trennt den mit dem Füllkörper 46 und dem Sieb 48 versehenen Raum 54 von einer Filterkammer 56 ab. In der Filterkammer 56 ist ein zylindrischer Filter 58 vorgesehen.
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Das Außengehäuse 10 hat im Bereich des Filterraums 56 mehrere am Umfang verteilte Ausströmöffnungen 60.
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Die Funktionsweise des Gasgenerators wird nun anhand der 1 und 2 beschrieben.
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Bei Aktivieren des Zünders 12 wird in der Anzünderkammer 14 der Treibsatz 16 entzündet, und das heiße Gas sowie eventuelle Partikel strömen über die Durchströmöffnung 38 in das Innere des Wandteils 24, d. h. in diesen radial inneren Abschnitt der Brennkammer. Der Treibstoff im Inneren des Wandteils 24 wird entzündet. Das entstehende heiße Gas zusammen mit dem heißen Gas aus der Anzünderkammer 14 bewegen das Wandteil 24 in Hauptströmungsrichtung axial in Richtung zur Wand 44. Obwohl die beiden Stirnseiten 30, 32 offen sind, wird ein Schub durch den Gas- und Druckstoß erzeugt. Zum einen ist die Strömung nicht exakt axial ausgerichtet, sondern turbulent, sodass auch eine schräg nach rechts verlaufende Strömungskomponente vorhanden ist, die schräg auf die Wandung der Öffnungen 28 in der Umfangswand 26 treffen und hierdurch einen Impuls auf das Wandteil 24 auslösen. Zum anderen verhaken sich auch einige Treibstoffkörper in den Öffnungen 28, was zu einer Angriffsfläche für den Druckimpuls sorgt. Das Gas strömt auch radial durch die Öffnungen 28 nach außen und über die Ringkammer 40 in den Festtreibstoff zwischen Stirnwand 32 und Wand 44. Auch über die Stirnseite 32 strömt natürlich Gas in den Bereich noch nicht verbrannten Treibstoffs.
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Das Wandteil 24 bewegt sich innerhalb des Festtreibstoffbetts 22 nach rechts. Soweit dies anhand von Röntgenaufnahmen herausgefunden werden konnte, verdrängt das Wandteil 24 dabei die Treibstoffkörper nach innen und außen. Nur ein Teil des in Bewegungsrichtung vor deren Wandteil 24 liegenden Treibstoffs wird entzündet, bevor das Wandteil 24 diesen Abschnitt des Festtreibstoffbetts erreicht. Das Wandteil 24 wandert sozusagen mit der Druckwelle mit und bahnt sich seinen Weg durch das Festtreibstoffbett 22. Im Inneren des Wandteils 24 zündet dann der restliche Treibstoff, d. h. der noch nicht entzündete Treibstoff, und anschließend strömt dieses Gas radial nach außen.
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Das Wandteil 24 stößt schließlich an der Wand 44 an.
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Die Verschieblichkeit der Wand 44 kann die Verdrängung der Treibstoffkörper durch die Bewegung des Wandteils 24 unterstützen, sodass es vorteilhaft, jedoch nicht zwingend notwendig ist, dass zumindest eine die Brennkammer 20 begrenzende Wand flexibel bzw. verschieblich ausgeführt ist.
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Die Versuche, die bislang gemacht wurden, haben gezeigt, dass durch das bewegliche Wandteil 24 bei langgestreckten Brennkammern die Tendenz zum strömungsmechanischen „Klemmen” des Festtreibstoffbetts verringert wird, indem der Durchflußwiderstand des Verbrennungsgases durch das Festtreibstoffbett hindurch wesentlich verringert wird.
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Die Bewegung des Wandteils 24 in der Brennkammer 20 wird durch eine Halterung geführt, die vorliegend durch den Bund 34 und die Innenseite des Außengehäuses 20 gebildet ist, die sich zu einer Linearführung ergänzen. Der Bund 34 kann im Übrigen geschlossen oder offen ausgeführt sein.
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Die Ausführungsform nach den 5 bis 8 entspricht im Wesentlichen der zuvor erwähnten ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden nur noch auf die Unterschiede eingegangen wird.
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Der Unterschied hier besteht in der Ausführung des Wandteils 24, welches gemäß der zweiten Ausführungsform als sternförmig oder wellenförmig gefalteter bzw. umgeformter Blechkörper ausgeführt ist. Im Gegensatz zum Wandteil nach den 3 und 4 ist das Wandteil 24 nach den 7 und 8 im Querschnitt gesehen nicht geschlossen umlaufend, sondern teilweise offen (siehe oberer Abschnitt in 7). Auch hier sind an der Umfangswand 26 zahlreiche Öffnungen 28 vorgesehen, und auch hier sind die Stirnseiten 30, 32 vollständig offen ausgeführt.
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Mit den äußeren Spitzen oder äußeren Abschnitten der Umfangswand 26 liegt das Wandteil 24 an der Innenseite des Außengehäuses 10 an, sodass auch hier eine Halterung und Führung für das Wandteil 24 gebildet ist. Das Wandteil 24 bewegt sich, wie anhand der 5 und 6 zu sehen, nach dem Zünden von der Ausgangslage, in der es an der Wand 18 liegt, bis zur Wand 44.
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Die dritte Ausführungsform gemäß den 9 bis 12 hat ein anders ausgeführtes Wandteil 24, das in dieser Ausführungsform elastisch dehnbar ausgeführt ist. Ein Beispiel für eine solche Dehnbarkeit ist die Ausführung als Feder, insbesondere Schraubenfeder. Das Wandteil 24 ist über ein Rohr 62 an der Wand 18 befestigt, d. h. einseitig befestigt. Beim Zünden dehnt sich das Wandteil 24 elastisch in axialer Richtung aus (siehe 12) und drückt sich tiefer in das Festtreibstoffbett 22. Die rechte Stirnseite 32 ist bei dieser Ausführungsform nicht komplett offen. Die das Wandteil 24 bildende Feder hat nämlich in diesem Bereich ein Ende, welches radial nach innen abgewinkelt wird. Bei dieser Ausführungsform ist auch kein Treibstoff im Inneren des Wandteils 24 vor dem Zünden enthalten. Das Wandteil 24 drückt sich auch axial nicht in das Festtreibstoffbett 22 so hinein, dass Treibstoff axial in das Innere des Wandteils eindringt. Vielmehr dehnt sich das Wandteil 24 und schiebt sich zwischen einzelne Treibstoffkörper hindurch nach rechts in Richtung zur Wand 44, die es ggf. auch erreichen kann.
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Bei der Ausführungsform nach 13 grenzt der Anzünder 12 unmittelbar an die Brennkammer 20 an, er ragt sogar etwas in den durch das Wandteil 24 gebildeten Hohlraum hinein. Die Anzünderkammer 14 und die Trennwand 18 entfallen hier. Das Wandteil 24 wird durch eine Feder gebildet, bei der kein Treibstoff durch das Wandteil 24 umschriebenen Hohlraum untergebracht ist. Das Wandteil 24 wird nur durch die heißen Gase des Anzünders 12 ausgedehnt.
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Bei allen Ausführungsformen entsteht durch das sich bewegende Wandteil 24 ein Gasführungskanal im Inneren des Wandteils bzw. verlängert sich der Gasführungskanal.
