DE102014018603A1

DE102014018603A1 - Gasgenerator, Gassackmodul und Fahrzeugsicherheitssystem

Info

Publication number: DE102014018603A1
Application number: DE102014018603.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Jung
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23
Also published as: CN105711539B; CN105711539A; US10155497B2; US20170158162A1

Abstract

Ein Gasgenerator (10), insbesondere für ein Fahrzeugsicherheitssystem, hat eine Brennkammer (16), in der ein unter Gasentwicklung abbrennbarer Festtreibstoff (18) aufgenommen ist, und eine Druckgas (26) enthaltende Druckgaskammer (24), wobei auch im nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators (10) eine Strömungsverbindung zwischen der Brennkammer (16) und der Druckgaskammer (24) besteht. Das Druckgas (26) enthält wenigstens ein Inertgas sowie Sauerstoff und wenigstens ein brennbares Gas, wobei das brennbare Gas in einer Konzentration vorliegt, bei der keine selbsttragende Umsetzung des brennbaren Gases mit Sauerstoff erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator mit einer Brennkammer, in der ein unter Gasentwicklung abbrennbarer Festtreibstoff aufgenommen ist, und einer Druckgas enthaltenden Druckgaskammer, wobei auch im nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators eine Strömungsverbindung zwischen der Brennkammer und der Druckgaskammer besteht. Der Gasgenerator kann insbesondere in einem Fahrzeugsicherheitssystem, beispielsweise mit einem Gassack oder einem Gurtstraffer, eingesetzt werden. Daneben betrifft die Erfindung ein Gassackmodul und ein Fahrzeugsicherheitssystem.
Zur Bereitstellung der gewünschten Gasmenge durch einen Gasgenerator sind mehrere Konzepte bekannt. Eine Möglichkeit ist es, die gesamte Gasmenge aus einem bereits bei der Herstellung in einem Behälter des Gasgenerators aufgenommenen gasförmigen oder flüssigen Treibstoff zu erzeugen, der bei der Aktivierung des Gasgenerators eine chemische Reaktion durchlaufen kann. So ist beispielsweise in der DE 10 2008 027 048 A1 beschrieben, einen Druckgasbehälter des Gasgenerators mit einem brennbaren Gasgemisch zu füllen, das bei der Aktivierung des Gasgenerators durch einen Anzünder angezündet wird und das bei seinem Abbrand das gewünschte Gasvolumen liefert. Als Gasgemisch kann beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff in einer brennbaren Mischung verwendet werden.
Eine andere Möglichkeit ist es, zusätzlich zu einem Druckbehälter mit unter Druck stehendem Gas im Gasgenerator eine gewisse Menge eines Festtreibstoffs vorzusehen, der ebenfalls zur Gaserzeugung beiträgt. Bei derartigen Hybridgasgeneratoren können unterschiedliche Gase und Gasmischungen verwendet werden, wie etwa in der DE 10 2008 022 749 A1 beschrieben ist. Um die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur des ausströmenden Gases zu verringern, wird dort ein Aerogel zugemischt, um auch sehr leichtes Gas wie Helium oder Wasserstoff verwenden zu können.
Aus der DE 298 11 415 U1 ist es bekannt, neben dem Festtreibstoff ein Flüssiggas im Gasgenerator vorzusehen, das bei der Aktivierung des Gasgenerators unter Gasentwicklung umgesetzt wird.
Bei der Verwendung eines brennbaren Gasgemisches oder einer brennbaren Flüssigkeit erhöht sich zwar die erzeugte Gasmenge, jedoch auch die Temperatur des ausströmenden Gases.
Eine weitere Möglichkeit der Gaserzeugung, wie sie beispielsweise in der gattungsgemäßen DE 10 2011 009 309 A1 beschrieben ist, ist die Verwendung eines Inertgases als Druckgas, etwa Argon oder Helium, zusammen mit einem Festtreibstoff in Tablettenform, wobei das Druckgas auch die Treibstofftabletten umgibt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Gasgenerator mit verbesserter Leistung bereitzustellen.
Des Weiteren besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Gassackmodul und ein Fahrzeugsicherheitssystem mit einem weiterentwickelten Gasgenerator anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe im Hinblick auf den Gasgenerator durch den Gegenstand des Patentanspruches 1, im Hinblick auf das Gassackmodul durch den Gegenstand des Patentanspruches 11 und im Hinblick auf das Fahrzeugsicherheitssystem durch den Gegenstand des Patentanspruches 12 gelöst.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Gasgenerator, insbesondere für ein Fahrzeugsicherheitssystem, erreicht, der eine Brennkammer aufweist, in der ein unter Gasentwicklung abbrennbarer Festtreibstoff aufgenommen ist und eine Druckgas enthaltende Druckgaskammer, wobei auch im nichtaktivierten Zustand des Gasgenerators eine Strömungsverbindung zwischen der Brennkammer und der Druckgaskammer besteht. Das Druckgas enthält wenigstens ein Inertgas sowie Sauerstoff und wenigstens ein brennbares Gas, wobei das brennbare Gas in einer Konzentration vorliegt, bei der keine selbsttragende Umsetzung des brennbaren Gases mit Sauerstoff erfolgt.
Bei einer ausschließlichen Verwendung von Inertgasen muss der Anzünder thermisch gegen das kalte Inertgas arbeiten, was das Anzünden und die Gasfreisetzung aus dem Festtreibstoff verzögert. Es hat sich herausgestellt, dass durch die thermische Umsetzung des erfindungsgemäß im Druckgas enthaltenen brennbaren Gases das Druckgas in einem ausreichenden Maß erwärmt werden kann, um das Anzünden des Festtreibstoffs zu erleichtern und die Gasentwicklung zu beschleunigen. Dabei unterstützt die aus der Umsetzung des brennbaren Gases mit Sauerstoff erzeugte Wärme den Anzünder energetisch, bzw. dessen freigesetzte Anzündgase und/oder Anzündpartikel und die bereits angezündeten, heißen Treibstoffpartikel, zur Anzündung von noch nicht angebranntem Treibstoff.
Die Anmelderin hat erkannt, dass es zur Erzielung der energetisch unterstützenden Heizwirkung ausreicht, wenn bei Raumtemperatur und dem vor der Aktivierung des Gasgenerators in der Druckgaskammer herrschenden Druck die Konzentration des brennbaren Gases im Druckgas unterkritisch ist, also im aktivierten Zustand des Gasgenerators die Umsetzung des brennbaren Gases mit Sauerstoff durch die vom Anzünder oder der Umsetzung des Festtreibstoffs erzeugten Wärme getragen und aufrecht erhalten werden muss und das brennbare Gas zur Umsetzung mit Sauerstoff ständig thermische Aktivierungsenergie aus einer externen Quelle benötigt. Das ausströmende Gas wird dabei nicht in einem unerwünschten Maß durch die Umsetzung des brennbaren Gases aufgeheizt.
Das Inertgas ist vorzugsweise aus der aus Argon, Stickstoff, Helium und den Gemischen von je zumindest zwei dieser Gase bestehenden Gruppe ausgewählt, wobei aber auch andere, nicht mit dem brennbaren Gas und Sauerstoff reagierende Gase in Frage kommen.
Vor der Aktivierung des Gasgenerators steht das Druckgas beispielsweise unter einem Druck von etwa 50–75 MPa.
Das brennbare Gas kann aus der aus Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan und den Gemischen von je zumindest zwei dieser Gase bestehenden Gruppe ausgewählt sein, wobei die Verwendung von Wasserstoff bevorzugt wird. Neben den genannten Gasen kommen aber auch andere brennbare Gase infrage.
Um auch bei den vorgesehenen geringen Konzentrationen des brennbaren Gases dessen zumindest weitgehend vollständige Umsetzung zu erreichen, liegt das brennbare Gas im Verhältnis zu Sauerstoff vorzugsweise unterstöchiometrisch vor, wobei deutlich mehr Sauerstoff im Druckgas vorhanden ist als zur vollständigen Umsetzung des brennbaren Gases notwendig wäre.
Der Sauerstoff kann beispielsweise in einem Anteil von 10–30 mol-%, insbesondere von 15–25 mol-% im Druckgas vorliegen, bezogen auf die gesamte Stoffmenge im Druckgas.
Vorzugsweise liegt das brennbare Gas, insbesondere Wasserstoff, in einem Anteil von 2,5–4,0 mol-%, insbesondere von 2,5–3,5 mol-% im Druckgas vor.
Entsprechend liegt das Inertgas vorzugsweise in einem Anteil von etwa 66–87,5 mol-% im Druckgas vor.
Eine erfindungsgemäß bevorzugte Gasmischung umfasst Argon in einem Anteil von 65 bis 75 mol-%, Sauerstoff in einem Anteil von 10 bis 30 mol-%, vorzugsweise 15 bis 25 mol-% und weiter bevorzugt 15 bis 20 mol-%, sowie Wasserstoff in einem Anteil von 2,5 bis 4 mol-%, vorzugsweise 2,5 bis 3,5 mol-% und weiter bevorzugt 2,5 bis 3 mol-%, jeweils bezogen auf die gesamte Stoffmenge der Gasmischung. Bis zu 10% des Argonanteils können durch Helium ersetzt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass bei diesen Konzentrationen eine gute thermische Unterstützung durch das brennbare Gas erzielt wird, ohne dass eine selbsttragende Umsetzung des brennbaren Gases erfolgt.
Vor der Aktivierung des Gasgenerators herrscht vorzugsweise in der Brennkammer der gleiche Druck wie in der Druckgaskammer, was die Vorteile bietet, dass eine Abtrennung zwischen Brennkammer und Druckgaskammer nicht gasdicht ausgeführt werden muss und dass der Raum zwischen den Treibstofftabletten in der Brennkammer zur Speicherung von Druckgas ausgenutzt werden kann.
Der Anzünder ist jedoch vorzugsweise gegenüber der Brennkammer und/oder dem Druckgas gasdicht abgeschlossen, um ein schnelles Anzünden des Festtreibstoffs sicherzustellen.
Der Gasgenerator ist vorzugsweise als Stoßwellengenerator ausgelegt, wobei zwischen der Brennkammer und der Druckgaskammer eine Berstmembran zur Erzeugung einer Stoßwelle im Druckgas in der Druckgaskammer angeordnet ist.
Es ist bekannt, dass zur Erzeugung einer Stoßwelle keine gasdichte Trennung zwischen Brennkammer und Druckgaskammer erforderlich ist, jedoch sollten Überströmöffnungen, die einen Druckausgleich zwischen Druckgaskammer und Brennkammer erlauben, nur so groß gewählt sein, dass der abbrennbare Festtreibstoff durch seine Gasentwicklung die Berstmembran zerstören und eine ausreichend starke Stoßwelle in der Druckgaskammer erzeugen kann.
Vorzugsweise werden Festtreibstoffe auf Basis von Guanidinverbindungen, insbesondere Guanidinnitrat, verwendet.
Hinsichtlich eines Gassackmoduls wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 11 gelöst. Ein solches erfindungsgemäßes Gassackmodul kann einen erfindungsgemäßen Gasgenerator umfassen.
Hinsichtlich eines Fahrzeugsicherheitssystems wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 12 gelöst. Demnach weist ein Fahrzeugsicherheitssystem einen erfindungsgemäßen Gasgenerator und/oder ein erfindungsgemäßes Gassackmodul auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Gasgenerators;
2 eine diagrammatische Darstellung eines Kannenversuchs mit unterschiedlichen Gasmischungen.
In 1 ist ein Gasgenerator 10 dargestellt, der als Rohrgasgenerator mit einem langgestreckten, im Wesentlichen zylindrischen Gehäuse 12 ausgebildet ist. An einem axialen Ende des Gasgenerators 10 ist ein elektrisch aktivierbarer Anzünder 14 angeordnet.
Im Gehäuse 12 ist eine Brennkammer 16 vorgesehen, die mit einem Festtreibstoff 18 in Tablettenform, hier auf Basis von Guanidinnitrat, gefüllt ist. An einem dem Anzünder 14 abgewandten axialen Ende der Brennkammer 16 ist eine Berstmembran 20 vorgesehen.
In der Brennkammer 16 kann vor der Berstmembran 20 ein Sieb 22 angeordnet sein, das zum Zurückhalten von Partikeln dient, die beim Abbrand des Festtreibstoffs 18 entstehen.
In Axialrichtung A schließt eine Druckgaskammer 24 an die Brennkammer 16 an, die mit einem Druckgas 26 gefüllt ist, das hier (vor der Aktivierung des Gasgenerators 10) unter einem Druck von etwa 50–75 MPa steht.
Die Berstmembran 20 ist so in das Gehäuse 12 eingesetzt, dass für das Druckgas 26 eine Strömungsverbindung zwischen der Druckgaskammer 24 und der Brennkammer 16 besteht und in beiden Kammern der gleiche Druck herrscht. Die Tabletten des Festtreibstoffs 18 sind von Druckgas 26 umgeben. Um einen Druckausgleich zwischen der Brennkammer 16 und der Druckgaskammer 24 zu ermöglichen, können beispielsweise am Rand der Berstmembran 20 mehrere schmale Überströmkanäle vorgesehen sein, die Überströmöffnungen zwischen der Brennkammer und der Druckgaskammer bilden (nicht gezeigt).
Der Anzünder 14 ist auf geeignete Weise, beispielsweise durch eine Schutzfolie 28, gasdicht gegenüber der Brennkammer 16 und somit auch gegenüber dem Druckgas 26 abgetrennt.
Das in Axialrichtung A dem Anzünder 14 abgewandte Ende 30 der Druckgaskammer 24 ist von einer zweiten Berstmembran 32 verschlossen, die das Gehäuse gasdicht gegenüber der Umgebung abschließt. Dieses axiale Ende 30 ist von einem Diffusor 34 umgeben, der ausströmendes Gas, das beispielsweise zur Füllung eines (nicht dargestellten) Gassacks dient, in die gewünschte Richtung umlenkt.
Das Druckgas 26 besteht zu einem Großteil aus einem Inertgas, das hier aus der aus Argon, Stickstoff, Helium und deren Gemischen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Der Inertgasanteil beträgt beispielsweise etwa 66,0–87,5 mol-% des gesamten Druckgases. Zusätzlich zu dem Inertgas enthält das Druckgas Sauerstoff, beispielsweise in einem Anteil von 10–30 mol-% und insbesondere von 15–25 mol-%. Außerdem enthält das Druckgas 26 ein brennbares Gas, jedoch in einer Konzentration, bei der keine selbsttragende Umsetzung des brennbaren Gases mit dem im Druckgas 26 enthaltenen Sauerstoff erfolgen kann, wenn der Gasgenerator 10 aktiviert wird. Das brennbare Gas ist hier aus der aus Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan und deren Gemischen bestehenden Gruppe ausgewählt. Besonders bevorzugt ist das brennbare Gas Wasserstoff. Das brennbare Gas, hier Wasserstoff, liegt beispielsweise in einem Anteil von 2,5–4,0 mol-% und insbesondere von 2,5–3,5 mol-% im Druckgas 26 vor (jeweils bezogen auf die gesamte Stoffmenge).
Bei Aktivierung des Gasgenerators 10 wird der Anzünder 14 elektrisch aktiviert und liefert nach Zerbersten der Schutzfolie 28 Wärmeenergie, insbesondere in Form von heißen Partikeln und/oder Heißgasen, zum Starten des Abbrands des Festtreibstoffs 18. Da dieser von Druckgas 26 umgeben ist, wird ein Teil der vom Anzünder freigesetzten Wärmeenergie durch das Druckgas 26 abgeleitet. Dieser Energieverlust wird jedoch dadurch zumindest kompensiert, dass das brennbare Gas mit dem im Druckgas enthaltenen Sauerstoff reagiert. Die bei dieser Umsetzung frei werdende Wärmeenergie unterstützt die thermische Anzündung und Zersetzung des Festtreibstoffs 18. Die Konzentration des brennbaren Gases im Druckgas 26 ist jedoch so gering gewählt, dass dieses nicht selbsttragend reagieren kann, sondern zu seiner Umsetzung ständig die vom Festtreibstoff 18 bzw. vom Anzünder 14 erzeugte Wärmeenergie benötigt.
Die Überströmkanäle (nicht dargestellt) an der Berstmembran 20 sind so ausgebildet, dass nur ein geringer Anteil von Gas unter höherem Druck von der Brennkammer 16 in die Druckgaskammer 24 überströmt, der für das Ausströmverhalten des Gasgenerators 10 unbedeutend ist.
Bei Überschreiten eines vorbestimmten Druckniveaus durch die Gasentwicklung aus dem Festtreibstoff 18 in der Brennkammer 16 zerbirst die Berstmembran 20 schlagartig. Das schlagartige Öffnen der Berstmembran 20 erzeugt eine Stoßwelle, die in Axialrichtung A durch die Druckgaskammer 24 hindurchläuft und auf die zweite Berstmembran 32 trifft und diese öffnet. Somit kann das Gas durch die Öffnungen im Diffusor 34 aus dem Gasgenerator 10 ausströmen.
Beim Ausströmen des Druckgases 26 aus dem Gasgenerator 10 verringert sich die Konzentration des brennbaren Gases so stark, dass keine weitere Reaktion von noch nicht umgesetztem brennbarem Gas mit Luftsauerstoff erfolgt.
2 zeigt einen sogenannten Kannenversuch mit zwei unterschiedlichen Gasmischungen, unter ansonsten identischen Verhältnissen. Bei der hier verwendeten Kanne handelt es sich um ein vordefiniertes Volumen, in welchem eine bestimmte, insbesondere physikalisch/chemische Reaktion, gemessen wird.
Jede der Gasmischungen wurde mit einem herkömmlichen Anzünder in eine geschlossene Kanne eingebracht, und nach dem Anzünden des Anzünders wurde die Druckentwicklung in der Kanne gemessen.
Der Anfangsdruck lag in beiden Fällen bei 55 bar (5,5 MPa).
Die gestrichelte Kurve zeigt die Druckentwicklung bei Verwendung einer herkömmlichen Gasmischung aus 94,1% Ar, 3% He und 2,9% H₂, ohne Sauerstoff. Die strichpunktierte Kurve hingegen zeigt die Druckentwicklung mit einer Gasmischung von 92,5% Ar, 3% He, 2,6% H₂ und 1,8% O₂ (alle Angaben in Vol.-%). Bei diesem Versuch ist eine deutliche Erhöhung des Druckmaximums in der Kanne um ca. 25% gegenüber der ersten, herkömmlichen Gasmischung zu erkennen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008027048 A1 [0002]
DE 102008022749 A1 [0003]
DE 29811415 U1 [0004]
DE 102011009309 A1 [0006]

Claims

Gasgenerator, insbesondere für ein Fahrzeugsicherheitssystem, mit einer Brennkammer (16), in der ein unter Gasentwicklung abbrennbarer Festtreibstoff (18) aufgenommen ist, und einer Druckgas (26) enthaltenden Druckgaskammer (24), wobei auch im nicht aktivierten Zustand des Gasgenerators (10) eine Strömungsverbindung zwischen der Brennkammer (16) und der Druckgaskammer (24) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas (26) wenigstens ein Inertgas sowie Sauerstoff und wenigstens ein brennbares Gas enthält, wobei das brennbare Gas in einer Konzentration vorliegt, bei der keine selbsttragende Umsetzung des brennbaren Gases mit Sauerstoff erfolgt.
Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gas im Verhältnis zu Sauerstoff unterstöchiometrisch vorliegt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoff in einem Anteil von 10–30 mol-%, insbesondere 15–25 mol-% im Druckgas (26) vorliegt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gas aus der aus Wasserstoff, Methan, Ethan, Propan und den Gemischen von je zumindest zwei dieser Gase bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Gasgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gas Wasserstoff ist.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gas, insbesondere Wasserstoff, in einem Anteil von 2,5–4,0 mol-%, insbesondere 2,5–3,5 mol-% im Druckgas (26) vorliegt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas in einem Anteil von zwischen etwa 66,0–87,5 mol-% im Druckgas (26) vorliegt.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas aus der aus Argon, Stickstoff, Helium und den Gemischen von je zumindest zwei dieser Gase bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgas (26) vor der Aktivierung des Gasgenerators (10) unter einem Druck von etwa 50–75 MPa steht, wobei insbesondere vor der Aktivierung des Gasgenerators (10) in der Brennkammer (16) der gleiche Druck herrscht wie in der Druckgaskammer (24).
Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anzünder (14) gegenüber dem Druckgas (26) gasdicht abgeschlossen ist, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkammer (16) und der Druckgaskammer (24) eine Berstmembran (20) zur Erzeugung einer Stoßwelle in der Druckgaskammer (24) angeordnet ist.
Gassackmodul mit einem Gasgenerator nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Fahrzeugsicherheitssystem mit einem Gasgenerator und/oder einem Gassackmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche.