DE102021212213A1

DE102021212213A1 - Ventilanordnung für einen Gasgenerator sowie Aufprallschutzsystem und Verfahren zum Betreiben einer solchen Ventilanordnung

Info

Publication number: DE102021212213A1
Application number: DE102021212213.2A
Authority: DE
Inventors: Henry Meißgeier; Matthias Bleeck; Rainer Muhr
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2021-10-29
Filing date: 2021-10-29
Publication date: 2022-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung (4) für einen Gasgenerator (2) zum Steuern eines Massenstroms eines druckbeaufschlagten Airbaggases aus dem Gasgenerator (2) zum Befüllen eines Airbags eines Kraftfahrzeugs, umfassend ein elektrisch ansteuerbares Pilotventil (5) mit einer Spule (11), die im bestromten Zustand eine Bewegungskraft zum Bewegen eines Pilotventilkolbens (6) induziert und ein Hauptventil (12) mit einem Führungsgehäuse (13) mit einer Durchgangsöffnung (14) und einem in der Durchgangsöffnung (14) verschiebbar angeordneten Schließelement (15), wobei innerhalb des Führungsgehäuses (13) eine Ablaufbohrung (21) zum Ablassen des Airbaggases in den Airbag von der Durchgangsöffnung (14) abzweigt, und wobei das Schließelement (15) in einer ersten Betriebsstellung die Ablaufbohrung (21) verschließt und in einer zweiten Betriebsstellung die Ablaufbohrung (21) freigibt. Erfindungsgemäß ist zur Bestimmung einer Betriebsstellung des Schließelements (15) eine Auswerteeinheit (23) vorgesehen, wobei die Auswerteinheit (23) dazu ausgebildet ist, im Betrieb bei Anliegen einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil (5) einen elektrischen Parameter am Pilotventil (5) auszuwerten und basierend darauf die Betriebsstellung des Schließelements (15) zu bestimmen. Weiter betrifft die Erfindung ein Aufprallschutzsystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Ventilanordnung (4) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ventilanordnung (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für einen Gasgenerator zum Steuern eines Massenstroms eines druckbeaufschlagten Airbaggases aus dem Gasgenerator zum Befüllen eines Airbags eines Kraftfahrzeugs. Dabei umfasst die Ventilanordnung ein elektrisch ansteuerbares Pilotventil mit einem Pilotventilkolben, einer mit dem Pilotventilkolben verschließbaren Pilotventilzulaufbohrung, und einer Spule, die im bestromten Zustand eine Bewegungskraft zum Bewegen des Pilotventilkolbens induziert. Weiter umfasst die Ventilanordnung ein Hauptventil mit einem Führungsgehäuse mit einer Durchgangsöffnung, ein in der Durchgangsöffnung verschiebbar angeordnetes Schließelement, das die Durchgangsöffnung in eine fluidisch über die Pilotventilzulaufbohrung mit dem Pilotventil verbundene Steuerkammer und eine fluidisch mit dem Gasgenerator verbindbare Vorkammer teilt, und einen Überströmkanal, der die Vorkammer und die Steuerkammer fluidisch miteinander verbindet. Innerhalb des Führungsgehäuses zweigt eine Ablaufbohrung zum Ablassen des Airbaggases in den Airbag von der Durchgangsöffnung ab, wobei das Schließelement in einer ersten Betriebsstellung die Ablaufbohrung verschließt und in einer zweiten Betriebsstellung die Ablaufbohrung freigibt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Aufprallschutzsystem für ein Kraftfahrzeug, wobei das Aufprallschutzsystem einen Airbag, einen Gasgenerator, der dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Aktivierungssignal druckbeaufschlagtes Airbaggas bereitzustellen, und eine derartige Ventilanordnung zum Steuern eines Massenstrom des Airbaggases zum Befüllen des Airbags umfasst, und wobei die Vorkammer der Durchgangsöffnung des Hauptventils fluidisch mit einem Airbaggasaustrittskanal des Gasgenerators verbunden ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Ventilanordnung.
Seit vielen Jahren sind in Kraftfahrzeugen Personenschutzmittel wie insbesondere ein als Rückhaltesystem ausgestaltetes Aufprallschutzsystem für den Schutz der Insassen eines Kraftfahrzeugs bei einem Unfall bekannt, wodurch Verletzungen der Insassen möglichst verhindert oder deren Schwere zumindest reduzieret werden sollen. Üblicherweise kommen hierbei Luft- bzw. Gassäcke, gewöhnlich Airbags genannt, zum Einsatz, die den Insassen im Kollisionsfall auffangen und die mit einem Fluid, einem sogenannten Airbaggas, gefüllt werden. Dabei entfaltet sich der Airbag durch das einströmende Airbaggas innerhalb eines kurzen Zeitbereichs zwischen 10 ms und 50 ms zwischen einem Insassen und Teilen eines Innenraumes des Kraftfahrzeuges und bildet ein Kissen, wodurch verhindert wird, dass der Insasse gegen harte Teile des Fahrzeuginnenraums wie beispielsweise ein Lenkrad prallt.
Das Airbaggas wird regelmäßig in einem Gasgenerator mit einem Hochdruck zwischen 50 bar und 1000 bar bereitgestellt. Bei dem Gasgenerator kann es sich um einen sogenannten Heißgasgenerator handeln, in dem ein solches Airbaggas durch eine pyrotechnische Verbrennungsreaktion erzeugt wird oder auch um einen sogenannten Kaltgasgenerator, in dem bereits ein unter Druck stehendes Airbaggas gespeichert ist. Auch eine kombinierte Ausführung als Hybridgasgenerator ist möglich.
Das Aufprallschutzsystem löst üblicherweise kurz nach dem Aufprallzeitpunkt aus, d. h. erst wenn der Aufprall bereits erfolgt ist. Es sind jedoch auch bereits Aufprallschutzsysteme bekannt, welche durch geeignete Sensoren und Auswertung deren Signale einen Zeitpunkt erkennen, bei dem ein Aufprall unvermeidbar ist. Dieser Zeitpunkt liegt in der sogenannten Pre-Crash-Phase und damit vor dem eigentlichen Aufprallzeitpunkt. Dabei ist vorgesehen, mit dieser Information das Aufprallschutzsystem bereits vor dem Aufprall zu aktivieren, um so die Insassen eines Fahrzeuges noch besser vor Verletzungen schützen zu können.
Insbesondere hierfür ist der Einsatz von zwei- oder mehrstufigen Gasgeneratoren geplant. Hier wird mittels einer Ventilanordnung zum Steuern des Massenstroms des druckbeaufschlagten Airbaggases in zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Phasen jeweils ein bestimmter Massenstrom des Airbaggases abgegeben und in den Airbag eingeleitet. Die entsprechenden Öffnungs- und Schließbewegungen der Ventilanordnung müssen dabei innerhalb weniger Millisekunden erfolgen und gegen hohe Airbaggasdrücke arbeiten.
Eine Ventilanordnung und ein Aufprallschutzsystem der eingangs genannten Art sind beispielsweise in der DE 10 2015 209 019 A1 offenbart. Das Aufprallschutzsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Gasgenerator zum Speichern eines Airbaggases unter Druck und einen Airbag sowie eine Ventilanordnung zum Steuern eines Massenstrom des druckbeaufschlagten Airbaggases in den Airbag. Die Ventilanordnung umfasst ein Hauptventil in dessen Führungsgehäuse eine gestufte Durchgangsöffnung vorhanden ist und einen in der Durchgangsöffnung des Führungsgehäuses axial geführten und entsprechend gestuften Hauptventilkolben. Zudem weist die Ventilanordnung ein elektrisch ansteuerbares Pilotventil mit einem Pilotventilkolben und einer Pilotventilzulaufbohrung auf und umfasst weiter eine Spule zum Induzieren einer Bewegungskraft zum Bewegen des Pilotventilkolbens im bestromten Zustand. Der Hauptventilkolben teilt die Durchgangsöffnung in eine fluidisch über die Pilotventilzulaufbohrung mit dem Pilotventil verbundene Steuerkammer und eine fluidisch mit einem Airbaggasaustrittskanal des Gasgenerators verbundene Vorkammer, wobei das Hauptventil einen Überströmkanal aufweist, der die Vorkammer und die Steuerkammer fluidisch miteinander verbindet. Innerhalb des Führungsgehäuses zweigt eine Ablaufbohrung zum Ablassen des Airbaggases in den Airbag von der Durchgangsöffnung ab, wobei mittels des Airbaggases und abhängig von einer Stellung des Pilotventilkolbens der Hauptventilkolben in einer Geschlossenstellung die Ablaufbohrung verschließt und in einer Offenstellung die Ablaufbohrung freigibt.
Nachteilig gestaltet sich bei einer solchen Ventilanordnung jedoch, dass im Betrieb eine aktuell tatsächliche Betriebsstellung oder Position, insbesondere eine aktuell tatsächliche erste oder zweite Betriebsstellung des Schließelements, nicht bekannt ist, so dass insbesondere ein verzögertes Öffnen und/oder Schließen der Ablaufbohrung und insgesamt ein nicht bedarfsgerechtes Befüllen des Airbags resultieren kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die erste Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung für einen Gasgenerator zum Steuern eines Massenstroms eines druckbeaufschlagten Airbaggases aus dem Gasgenerator zum Befüllen eines Airbags eines Kraftfahrzeugs anzugeben, welche ein schnelles und möglichst präzises und dabei auf eine aktuell vorliegende Situation anpassbares Befüllen des Airbags ermöglicht. Ferner ist es eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Aufprallschutzsystem für ein Kraftfahrzeug mit einer Ventilanordnung bereitzustellen, das ein schnelles und möglichst präzises und dabei auf eine aktuell vorliegende Situation anpassbares Befüllen des Airbags ermöglicht. Eine dritte Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Ventilanordnung anzugeben, durch welches ein schnelles und möglichst präzises und dabei auf eine aktuell vorliegende Situation anpassbares Befüllen des Airbags ermöglicht ist.
Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
Demnach umfasst eine Ventilanordnung für einen Gasgenerator zum Steuern eines Massenstroms eines druckbeaufschlagten Airbaggases aus dem Gasgenerator zum Befüllen eines Airbags eines Kraftfahrzeugs ein elektrisch ansteuerbares Pilotventil mit einem Pilotventilkolben, einer mit dem Pilotventilkolben verschließbaren Pilotventilzulaufbohrung, und einer Spule, die im bestromten Zustand eine Bewegungskraft zum Bewegen des Pilotventilkolbens induziert. Weiter umfasst die Ventilanordnung ein Hauptventil mit einem Führungsgehäuse mit einer Durchgangsöffnung, einem in der Durchgangsöffnung verschiebbar angeordneten Schließelement, das die Durchgangsöffnung in eine fluidisch über die Pilotventilzulaufbohrung mit dem Pilotventil verbundene Steuerkammer und eine fluidisch mit dem Gasgenerator verbindbare Vorkammer teilt, und einem Überströmkanal, der die Vorkammer und die Steuerkammer fluidisch miteinander verbindet. Innerhalb des Führungsgehäuses zweigt eine Ablaufbohrung zum Ablassen des Airbaggases in den Airbag von der Durchgangsöffnung ab, wobei das Schließelement in einer ersten Betriebsstellung die Ablaufbohrung verschließt und in einer zweiten Betriebsstellung die Ablaufbohrung freigibt.
Erfindungsgemäß ist zur Bestimmung einer Betriebsstellung des Schließelements eine Auswerteeinheit vorgesehen, wobei die Auswerteinheit dazu ausgebildet ist, im Betrieb bei Anliegen einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil einen elektrischen Parameter am Pilotventil auszuwerten und basierend darauf die Betriebsstellung des Schließelements zu bestimmen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein besonders schnelles Befüllen des Airbags und dabei ein möglichst exaktes Befüllen mit einer bestimmten Airbaggasmenge in den einzelnen Phasen insbesondere abhängig ist von einer Aktivierungszeit des Schließelements des Hauptventils und der Zeitdauer bis zu einem erfolgten Öffnen oder Schließen der Ablaufbohrung, und dass die Kenntnis einer aktuellen, tatsächlichen Betriebsstellung oder Position des Schließelements für eine nächstfolgende Öffnungsbewegung oder Schließbewegung vorteilhaft berücksichtigt werden kann, um ein gezieltes und rechtzeitiges Ansteuern oder Ansprechen des Schließelements und folglich ein gezieltes und rechtzeitiges Öffnen oder Schließen der Ablaufbohrung zu gewährleisten. Weiter geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass gerade auch zu einer ggf. erforderlichen Anpassung des Befüllens des Airbags während eines Crashverlaufs, insbesondere aufgrund sich kurzfristig verändernder, nicht vorhersehbarer Situationen, die Kenntnis einer aktuellen, tatsächlichen Betriebsstellung oder Position des Schließelements erforderlich ist bzw. vorteilhaft berücksichtigt werden kann um eine gezielte, präzise Anpassung möglichst ohne Zeitverzögerung durchzuführen. Weiter beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, dass durch die Ausbildung des Pilotventils als Magnetventil mit einer Spule sich eine typische Charakteristik im Verlauf einer elektrischen Größe bzw. eines elektrischen Parameters am Pilotventil ergibt, welche zur Bestimmung einer Betriebsstellung des Schließelements heranziehbar ist. Daher sieht die Erfindung eine Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Betriebsstellung des Schließelements vor, wobei die Auswerteinheit dazu ausgebildet ist, im Betrieb bei Anliegen einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil einen elektrischen Parameter am Pilotventil auszuwerten und basierend darauf die Betriebsstellung des Schließelements zu bestimmen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat den Vorteil, dass dadurch eine Ventilanordnung bereitgestellt wird, die ein schnelles und möglichst präzises und dabei auf eine aktuell vorliegende Situation anpassbares Befüllen des Airbags gewährleistet.
Im Wesentlichen wird über das elektrisch ansteuerbare Pilotventil und insbesondere über eine Stellung des Pilotventilkolbens die Bewegung und damit die Stellung des Schließelements des Hauptventils und folglich der Massenstrom in den Airbag gesteuert. Das Pilotventil ist dabei als Magnetventil ausgebildet und umfasst eine Spule, die eine Spulenwicklung aus einem elektrischen Leiter aufweist. Wird an die Spule eine elektrische Spannung angelegt bzw. die Spule mit Strom beaufschlagt, baut sich ein Magnetfeld in dem Pilotventil auf und die daraus resultierende Magnetkraft wirkt unmittelbar oder mittelbar auf den Pilotventilkolben. Im Rahmen der Erfindung bedeutet das Anliegen einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil und das Auswerten eines elektrischen Parameters am Pilotventil somit insbesondere, dass eine elektrische Spannung an der Spule angelegt bzw. ein elektrischer Parameter an der Spule ausgewertet wird. Das Pilotventil kann als ein stromlos geschlossenes Pilotventil oder als ein stromlos offenes Pilotventil ausgebildet sein.
Durch den Überströmkanal des Hauptventils, der die Vorkammer und die Steuerkammer fluidisch miteinander verbindet, kann das Airbaggas von der Ventilkammer in die Steuerkammer strömen, wobei hautsächlich in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen der Ventilkammer und der Steuerkammer ein bestimmter Massenstrom durch den Überströmkanal fließen kann.
Wird der Gasgenerator aktiviert und damit unter Druck gespeichertes Airbaggas bereitgestellt, steigt der Airbaggasdruck in der Vorkammer und über den Überströmkanal kann Airbaggas in die Steuerkammer fließen, wodurch der Airbaggasdruck auch von der Steuerkammer her auf das Schließelement wirken kann. Aufgrund der Druckverhältnisse in der Steuerkammer und der Ventilkammer und abhängig von der geometrischen Gestaltung des Schließelements wirken auf das Schließelement also entsprechende Kräfte von Seiten der Steuerkammer und der Ventilkammer her, wobei sich das Schließelement bei einem Kräfteungleichgewicht entsprechend bewegt. Das Pilotventil ist dazu vorgesehen, den Airbaggasdruck in der Steuerkammer zu steuern. Wird über das Pilotventil der Airbaggasdruck in der Steuerkammer beispielsweise gesenkt, sinkt auch die Kraft, die auf das Schließelement von der Steuerkammer her wirkt.
Der Massenstrom des Airbaggases ist definiert durch die Masse des Airbaggases, die pro Zeiteinheit durch einen bestimmten Querschnitt strömt (m/t), insbesondere die pro Zeiteinheit zu dem Airbag hinströmt (m/t).
Die Auswerteeinheit kann insbesondere eine elektronische Schaltungsanordnung umfassen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, den elektrischen Strom auszuwerten. Es wird also bei Anliegen einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil der elektrische Strom, insbesondere ein Verlauf des elektrischen Stroms, des Pilotventils zeitabhängig erfasst und ausgewertet. Basierend auf der Auswertung wird dann die Betriebsstellung des Schließelements bestimmt. Das ist dadurch ermöglicht, dass nach Anlegen der elektrischen Spannung an das Pilotventil der Stromverlauf über der Zeit bzw. der Verlauf der Stromstärke eine typische Charakteristik aufweist. Nach Anlegen der elektrischen Spannung steigt der Stromverlauf bzw. die Stromstärke zunächst kontinuierlich an und dann, wenn eine Bewegung des Pilotventilkolbens einsetzt, fällt der Stromverlauf für eine kurze Zeitspanne ab und weist dann eine erste Unstetigkeit auf, wenn die Bewegung des Pilotventilkolbens beendet ist. Nach der ersten Unstetigkeit steigt der Stromverlauf wieder kontinuierlich an. Da dem Pilotventilkolben das Schließelement des Hauptventils direkt folgt, kann somit die Betriebsstellung des Schließelements basierend auf einer Auswertung des elektrischen Stroms bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, anhand einer ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf, nachdem die elektrische Spannung angelegt worden ist, die Betriebsstellung des Schließelements zu bestimmen. Es wird hier also nach dem Anlegen der elektrischen Spannung an das Pilotventil der Verlauf des elektrischen Stroms ausgewertet und anhand einer zeitlich ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf, also einer im zeitlichen Verlauf des elektrischen Stroms als Erstes auftretenden Unstetigkeit, wird die Betriebsstellung des Schließelements bestimmt. Das ist dadurch ermöglicht, dass nach Anlegen der elektrischen Spannung an das Pilotventil der Stromverlauf bzw. die Stromstärke zunächst kontinuierlich ansteigt und dann, wenn eine Bewegung des Pilotventilkolbens einsetzt, der Stromverlauf für eine kurze Zeitspanne abfällt und dann eine erste Unstetigkeit aufweist, wenn die Bewegung des Pilotventilkolbens beendet ist. Nach der ersten Unstetigkeit steigt der Stromverlauf wieder kontinuierlich an. Der Stromverlauf über der Zeit weist also eine erste Unstetigkeit auf, anhand derer die Stellung bzw. Position des Pilotventilkolbens ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben das Schließelement des Hauptventils direkt folgt, kann so folglich die Betriebsstellung des Schließelements bestimmt werden.
Dabei wird in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bei Vorliegen der ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf die Betriebsstellung des Schließelements als die erste Betriebsstellung oder die zweite Betriebsstellung bestimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist dabei das Pilotventil als ein stromlos geschlossenes Pilotventil ausgebildet, wobei bei Vorliegen der ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf die Betriebsstellung des Schließelements als die zweite Betriebsstellung bestimmt wird, also als die Betriebsstellung, in der das Schließelement die Ablaufbohrung freigibt. Bei einer Ausgestaltung als stromlos geschlossenes Pilotventil verschließt der Pilotventilkolben die Pilotventilzulaufbohrung ohne angelegte elektrische Spannung bzw. ohne Strombeaufschlagung, wobei das Pilotventil dabei vorteilhafterweise eine Druckfeder aufweist, die den Pilotventilkolben in eine Schließposition vorspannt, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben die Pilotventilzulaufbohrung verschließt.
In einer dazu alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist das Pilotventil als ein stromlos offenes Pilotventil ausgebildet, wobei bei Vorliegen der ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf die Betriebsstellung des Schließelements als die erste Betriebsstellung bestimmt wird, also als die Betriebsstellung, in der das Schließelement die Ablaufbohrung verschließt. Bei einer Ausgestaltung als stromlos offenes Pilotventil verbleibt der Pilotventilkolben ohne angelegte elektrische Spannung bzw. ohne Strombeaufschlagung grundsätzlich in einer beliebigen Position, wobei das Pilotventil vorzugsweise eine Druckfeder aufweist, die das Pilotventil bzw. den Pilotventilkolben in eine definierte Öffnungsposition vorspannt. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. durch Bestromung kann der Pilotventilkolben dann in eine Schließposition bewegt werden, d.h. in eine Position, in der der Pilotventilkolben die Pilotventilzulaufbohrung verschließt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, alternativ oder zusätzlich die angelegte elektrische Spannung auszuwerten. Es wird also die an das Pilotventil angelegte Spannung, insbesondere ein Verlauf der angelegten Spannung, zeitabhängig erfasst und ausgewertet. Basierend auf der Auswertung wird dann die Betriebsstellung des Schließelements bestimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, anhand einer Unstetigkeit im angelegten elektrischen Spannungsverlauf, nachdem eine Polarität der angelegten elektrischen Spannung umgekehrt worden ist, die Betriebsstellung des Schließelements zu bestimmen. Es wird hier also die Polarität der angelegten elektrischen Spannung umgekehrt und der Verlauf der elektrischen Spannung ausgewertet und anhand einer Unstetigkeit im elektrischen Spannungsverlauf wird die Betriebsstellung des Schließelements bestimmt. Eine Umkehr der Polarität der angelegten elektrischen Spannung wird insbesondere durchgeführt um ein schnelles Schalten des Pilotventils, also eine Bewegung des Pilotventilkolbens von seiner aktuellen Position, z.B. Schließposition oder Öffnungsposition, in eine neue Position, z.B. Öffnungsposition bzw. Schließposition, durchzuführen, und um dabei die in der Spule gespeicherte Energie möglichst schnell und reproduzierbar abzubauen. Erreicht der Pilotventilkolben die neue Position, entsteht eine Gegeninduktion und die Eigenschaften des Magnetkreises werden verändert. Dies zeigt sich in einer Unstetigkeit der am Pilotventil anliegenden elektrischen Spannung. Der Spannungsverlauf über der Zeit weist also nach einer Umkehr der Polarität eine Unstetigkeit auf, anhand derer die Stellung bzw. Position des Pilotventilkolbens ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben das Schließelement des Hauptventils direkt folgt, kann so folglich die Betriebsstellung des Schließelements bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird dabei bei Vorliegen der Unstetigkeit im elektrischen Spannungsverlauf die Betriebsstellung des Schließelements als die erste Betriebsstellung oder die zweite Betriebsstellung bestimmt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist dabei das Pilotventil als ein stromlos geschlossenes Pilotventil ausgebildet, wobei bei Vorliegen der Unstetigkeit im elektrischen Spannungsverlauf die Betriebsstellung des Schließelements als die erste Betriebsstellung bestimmt wird, also als die Betriebsstellung, in der das Schließelement die Ablaufbohrung verschließt. Bei einer Ausgestaltung als stromlos geschlossenes Pilotventil verschließt der Pilotventilkolben die Pilotventilzulaufbohrung ohne angelegte elektrische Spannung bzw. ohne Strombeaufschlagung, wobei das Pilotventil dabei vorteilhafterweise eine Druckfeder aufweist, die den Pilotventilkolben in eine Schließposition vorspannt, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben die Pilotventilzulaufbohrung verschließt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird der Pilotventilkolben dann zunächst in eine Öffnungsposition bewegt, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben die Pilotventilzulaufbohrung freigibt. Da dem Pilotventilkolben das Schließelement des Hauptventils direkt folgt, wird folglich auch die Ablaufbohrung freigegeben. Wenn nun die Polarität der anliegenden elektrischen Spannung umgekehrt wird, bewegt sich der Pilotventilkolben wieder in die Schließposition und das Schließelement des Hauptventils gelangt in die erste Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung verschließt. Erreicht der Pilotventilkolben die Schließposition, weist der Spannungsverlauf über der Zeit zu dem Zeitpunkt des Erreichens der Schließposition eine Unstetigkeit auf, anhand derer die Schließposition des Pilotventilkolbens ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben das Schließelement des Hauptventils direkt folgt, wird so folglich die Betriebsstellung des Schließelements als die erste Betriebsstellung bestimmt.
In einer dazu alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist das Pilotventil als ein stromlos offenes Pilotventil ausgebildet ist, wobei bei Vorliegen der Unstetigkeit im elektrischen Spannungsverlauf die Betriebsstellung des Schließelements als die zweite Betriebsstellung bestimmt wird, also als die Betriebsstellung, in der das Schließelement die Ablaufbohrung freigibt. Bei einer Ausgestaltung als stromlos offenes Pilotventil verbleibt der Pilotventilkolben ohne angelegte elektrische Spannung bzw. ohne Strombeaufschlagung grundsätzlich in einer beliebigen Position, wobei das Pilotventil vorzugsweise eine Druckfeder aufweist, die das Pilotventil bzw. den Pilotventilkolben in eine definierte Öffnungsposition vorspannt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird der Pilotventilkolben dann zunächst in eine Schließposition bewegt, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben die Pilotventilzulaufbohrung verschließt. Da dem Pilotventilkolben das Schließelement des Hauptventils direkt folgt, wird folglich auch die Ablaufbohrung verschlossen. Wenn nun die Polarität der anliegenden elektrischen Spannung umgekehrt wird, bewegt sich der Pilotventilkolben wieder in die Öffnungsposition n und das Schließelement des Hauptventils gelangt in die zweite Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung freigibt. Erreicht der Pilotventilkolben die Öffnungsposition, weist der Spannungsverlauf über der Zeit zu dem Zeitpunkt des Erreichens der Öffnungsposition eine Unstetigkeit auf, anhand derer die Öffnungsposition des Pilotventilkolbens ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben das Schließelement des Hauptventils direkt folgt, wird so folglich die Betriebsstellung des Schließelements als die zweite Betriebsstellung bestimmt.
Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 12.
Das erfindungsgemäße Aufprallschutzsystem für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Airbag, einen Gasgenerator, der dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Aktivierungssignal druckbeaufschlagtes Airbaggas bereitzustellen, und eine erfindungsgemäße Ventilanordnung zum Steuern eines Massenstrom des Airbaggases zum Befüllen des Airbags. Dabei ist die Vorkammer der Durchgangsöffnung des Hauptventils fluidisch mit einem Airbaggasaustrittskanal des Gasgenerators verbunden.
Die für die erfindungsgemäße Ventilanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Aufprallschutzsystem.
Vorteilhafterweise weist das Aufprallschutzsystem weiter wenigstens einen Sensor auf, der bei einem Aufprall und/oder zeitlich vor einem Aufprall crashrelevante Parameter zum Berechnen eines voraussichtlichen Aufprallverlaufes erfasst und an eine Steuergeräteeinheit überträgt, die insbesondere dazu ausgelegt ist, aus den erfassten crashrelevanten Parametern den voraussichtlichen Aufprallverlauf und basierend darauf den zu jedem Zeitpunkt des Aufprallverlaufes benötigten Massenstrom des Airbaggases in den Airbag zu bestimmen.
Die dritte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 13.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung umfasst folgende Schritte:

- Anlegen einer elektrischen Spannung an das Pilotventil;
- Auswerten eines elektrischen Parameters am Pilotventil; und
- Bestimmen einer Betriebsstellung des Schließelements basierend auf der Auswertung.

Die für die erfindungsgemäße Ventilanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten entsprechend auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

1 in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein
Aufprallschutzsystem mit einer Ventilanordnung,
2 ein schematisches Diagramm, das einen Spannungs-, Strom- und Airbagfüllverlauf des Aufprallschutzsystems aus 1 in Abhängigkeit der Zeit darstellt,
3 in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein Aufprallschutzsystem mit einer Ventilanordnung in einer alternativen Ausführungsform,
4 ein schematisches Diagramm, das einen Spannungs-, Strom- und Airbagfüllverlauf des Aufprallschutzsystems aus 3 in Abhängigkeit der Zeit darstellt, und
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Ventilanordnung des Aufprallschutzsystems aus 1 oder 3.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Aufprallschutzsystems 1 für ein Kraftfahrzeug gezeigt. Das Aufprallschutzsystem 1 umfasst einen Airbag (nicht dargestellt) sowie einen als Kaltgasgenerator ausgebildeten Gasgenerator 2, in dem ein Airbaggas unter Druck gespeichert ist und der dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Aktivierungssignal druckbeaufschlagtes Airbaggas bereitzustellen. Hierfür weist der Gasgenerator 2 ein als Berstscheibe ausgebildetes Verschlusselement (nicht dargestellt) zum Verschließen eines Airbaggasaustrittskanals 3 des Gasgenerators 2 auf, wobei das Verschlusselement im Falle eines Aufpralls zerstört wird, so dass das unter Druck stehende Airbaggas aus dem Gasgenerator 2 austreten kann. Weiter umfasst das Aufprallschutzsystem 1 eine Ventilanordnung 4 zum Steuern eines Massenstroms des Airbaggases zum Befüllen des Airbags.
Die Ventilanordnung 4 umfasst ein elektrisch ansteuerbares bzw. schaltbares, als Magnetventil ausgebildetes, Pilotventil 5 mit einem verschiebbar angeordneten Pilotventilkolben 6 und einer mit dem Pilotventilkolben 6 verschließbaren Pilotventilzulaufbohrung 7. Der Pilotventilkolben 6 wirkt also mit der Pilotventilzulaufbohrung 7 zusammen und verschließt oder öffnet die Pilotventilzulaufbohrung 7 in Abhängigkeit von seiner Position. Das Pilotventil 5 weist ferner ein feststehendes Polstück 8 und einen beweglichen Anker 9 auf, wobei der Anker 9 relativ zu dem Polstück 8 axial verschiebbar ist. Der Anker 9 ist mit dem Pilotventilkolben 6 gekoppelt, wodurch der Anker 9 seine Bewegung auf den Pilotventilkolben 6 überträgt, so dass der Pilotventilkolben 6 einer Bewegung des Ankers 9 folgt. Eine Druckfeder 10 des Pilotventils 5 drückt den Anker 9 in Richtung der Pilotventilzulaufbohrung 7.
Um eine Bewegung des Ankers 9 zu induzieren, umfasst das Pilotventil 5 weiter eine Spule 11, die hierfür bestromt wird. Bei einer Bestromung der Spule 11 wird ein magnetisches Feld aufgebaut und es bildet sich eine Magnetkraft zwischen dem Anker 9 und dem Polstück 8. Diese Magnetkraft bewegt den Anker 9 und somit den Pilotventilkolben 6.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 ist das Pilotventil 5 als stromlos geschlossenes Pilotventil 5 ausgebildet. Ohne angelegte elektrische Spannung bzw. ohne Strombeaufschlagung drückt die Druckfeder 10 den Pilotventilkolben 6 gegen die Pilotzulaufbohrung 7 in eine Schließposition, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 verschießt. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung und einen dadurch bedingten Stromfluss durch die Spule 11 wirkt eine Magnetkraft entgegen der Federkraft der Druckfeder 10. Diese bewegt den Anker 9 und damit den Pilotventilkolben 6 weg von der Pilotventilzulaufbohrung 7 in eine Öffnungsposition, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 freigibt. Somit wird ein Airbaggasstrom durch die Pilotventilzulaufbohrung 7 möglich.
Ferner weist die Ventilanordnung 4 ein Hauptventil 12 mit einem Führungsgehäuse 13 mit einer Durchgangsöffnung 14 und ein als Kolben ausgebildetes, in der Durchgangsöffnung 14 axial bewegliches Schließelement 15 auf. Das Schließelement 15 teilt die Durchgangsöffnung 14 in eine fluidisch über die Pilotventilzulaufbohrung 7 mit dem Pilotventil 5 verbundene Steuerkammer 16 und eine fluidisch mit dem Airbaggasaustrittskanal 3 des Gasgenerators 2 verbundene Vorkammer 17. Das Hauptventil 12 umfasst weiter einen als Kolbenbohrung im Schließelement 15 ausgebildeten Überströmkanal 18 auf, der die Vorkammer 17 und die Steuerkammer 16 fluidisch miteinander verbindet.
Das Schließelement 15 weist eine der Steuerkammer 16 zugewandte erste Druckwirkfläche 19 und eine der Vorkammer 17 zugewandte zweite Druckwirkfläche 20 auf, wobei die erste Druckwirkfläche 19 größer ist als die zweite Druckwirkfläche 20. Die unterschiedlich großen Druckwirkflächen 19, 20 des Schließelements 15 können durch unterschiedliche Durchmesser des Schließelements 15 im Bereich der Steuerkammer 16 und im Bereich der Vorkammer 17 realisiert werden. Es ergibt sich durch die Flächenverhältnisse dieser Durchmesser des Schließelements 15 ein Kräftegleichgewicht, sofern der Airbaggasdruck der Steuerkammer 16 entsprechend geringer ist als der Airbaggasdruck in der Vorkammer 17. Das Schließelement kann somit spätestens bei einem gleichen Airbaggasdruck in der Steuerkammer 16 und in der Vorkammer 17 schalten, d.h. aktiviert werden und sich in eine erste Betriebsstellung bewegen.
Innerhalb des Führungsgehäuses 13 zweigt von der Durchgangsöffnung 14 eine Ablaufbohrung 21 zum Ablassen des Airbaggases über einen Auslass 22 in den Airbag ab. Der Auslass 22 ist mit dem Airbag verbunden, so dass Airbaggas aus der Ablaufbohrung 21 durch den Auslass 22 in den Airbag gelangen kann. Mittels des Airbaggases bzw. des Airbaggasdrucks und abhängig von einer Stellung des Pilotventilkolbens 6 verschließt das Schließelement in einer ersten Betriebsstellung die Ablaufbohrung 21 und gibt die Ablaufbohrung 21 in einer zweiten Betriebsstellung frei.
Die Ventilanordnung 4 umfasst zudem eine Auswerteeinheit 23 zur Bestimmung einer Betriebsstellung des Schließelements 15. Dabei ist die Auswerteinheit 23 dazu ausgebildet ist, im Betrieb bei Anliegen einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil 5 bzw. der Spule 11 einen elektrischen Strom sowie eine elektrische Spannung an der Spule 11 zu erfassen und auszuwerten und basierend darauf die Betriebsstellung des Schließelements 15 zu bestimmen. Es wird also bei Anliegen einer elektrischen Spannung ein Verlauf des elektrischen Stroms sowie ein Verlauf der elektrischen Spannung jeweils zeitabhängig erfasst und ausgewertet. Basierend auf der Auswertung wird eine aktuelle Betriebsstellung des Schließelements 15 bestimmt, wobei die Betriebsstellung des Schließelements 15 zu einem oder mehreren Zeitpunkten bestimmt werden kann.
Das Aufprallschutzsystem 1 wirkt wie folgt:

Im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 ist das Pilotventil 5 als stromlos geschlossenes Pilotventil 5 ausgebildet. Ohne angelegte elektrische Spannung bzw. ohne Strombeaufschlagung drückt die Druckfeder 10 den Pilotventilkolben 6 gegen die Pilotzulaufbohrung 7 in eine Schließposition, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 verschießt. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung und einen dadurch bedingten Stromfluss durch die Spule 11 wirkt eine Magnetkraft entgegen der Federkraft der Druckfeder 10. Diese bewegt den Anker 9 und damit den Pilotventilkolben 6 weg von der Pilotventilzulaufbohrung 7 in eine Öffnungsposition, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 freigibt. Somit wird ein Airbaggasstrom durch die Pilotventilzulaufbohrung 7 möglich.

Nach einer Aktivierung des Gasgenerators 2 steigt zunächst der Airbaggasdruck in der Durchgangsöffnung 14 und somit in der Vorkammer 17 an. Das Pilotventil 5 ist noch geschlossen, der Pilotventilkolben 6 befindet sich also in der Schließposition. Der Airbaggasdruck steht an der zweiten Druckwirkfläche 20 des Schließelements 15 an. Durch den Staudruck an dem Schließelement 15 in der Vorkammer 17 strömt das Airbaggas zudem über den Überströmkanal 18 in die Steuerkammer 16. Dadurch steigt der Airbaggasdruck in der Steuerkammer 16 an. Beim Erreichen eines Aktivierungsdrucks, welcher hier derjenige Druck ist, der mindestens notwendig ist, um das Schließelement 15 in die erste Betriebsstellung und damit in Schließstellung zu bewegen, bewegt sich das Schließelement 15 in Richtung Vorkammer 17 in die erste Betriebsstellung und die Ablaufbohrung 21 wird verschlossen.
Wird in einem nächsten Schritt dann eine Spannung an das Pilotventil 5 bzw. an die Spule 11 angelegt, diese also bestromt, so wird der Pilotventilkolben 6 dann in eine Öffnungsposition bewegt, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 freigibt. Dadurch strömt Airbaggas über die Pilotventilzulaufbohrung 7 aus der Steuerkammer 16 ab und es verringert sich der Airbaggasdruck in der Steuerkammer 16. Bei Erreichen des Aktivierungsdrucks, welcher hier nun derjenige Druck ist, der notwendig ist, um das Schließelement 15 in die zweite Betriebsstellung und damit in Offenstellung zu bewegen, bewegt sich der das Schließelement 15 in Richtung Steuerkammer 16 und die Ablaufbohrung 21 wird geöffnet, wodurch Airbaggas zu der Ablaufbohrung 21 und anschließend über den Auslass 22 in den Airbag dosiert wird.
Durch die elektrische Ansteuerung des Pilotventils 5 kann einmal oder wiederholt ein bestimmter Massenstrom des Airbaggases dem Airbag kontrolliert zugeführt werden. Der Vorgang des Öffnens und Schließens der Ablaufbohrung 21 ist also wiederholbar und wird insbesondere in Abhängigkeit von einem Aufprallverlauf durchgeführt, wodurch eine daran angepasste, gezielte Dosierung des Airbaggases in den Airbag ermöglicht ist.
Dabei wird zumindest während des Anliegens einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil 5 bzw. der Spule 11 mittels der Auswerteeinheit 23 der elektrische Strom sowie die elektrische Spannung an der Spule 11 zeitabhängig ausgewertet und basierend darauf die Betriebsstellung des Schließelements 15 zu einem oder mehreren Zeitpunkten bestimmt. Durch ein solches zuverlässiges Bestimmen und die dadurch erlangte Kenntnis der aktuellen Betriebsstellung des Schließelements 15 wird ein schnelles und möglichst präzises und dabei auf eine aktuell vorliegende Situation anpassbares Befüllen des Airbags ermöglicht.
2 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Spannungs-, Strom- und Airbagfüllverlauf des Aufprallschutzsystems 1 aus 1 in Abhängigkeit der Zeit t darstellt.
Dabei ist ein Füllverlauf des Airbags mit Airbaggas mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Ein Stromverlauf des elektrischen Stroms am Pilotventil 5 ist mit dem Bezugszeichen 32 versehen und ein Spannungsverlauf der anliegenden elektrischen Spannung am Pilotventil 5 ist mit dem Bezugszeichen 33 versehen.
Bei der Aktivierung des Gasgenerators 2 zum Zeitpunkt t1 ist das Pilotventil 5 geschlossen, der Pilotventilkolben 6 befindet sich also in der Schließposition. Auch das Schließelement 15 befindet sich in der ersten Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung 21 zum Airbag verschließt.
Wird in einem nächsten Schritt dann zum Zeitpunkt t2 eine Spannung an das Pilotventil 5 bzw. an die Spule 11 angelegt, diese also bestromt, so steigt nach dem Anlegen der elektrischen Spannung der Strom bzw. die Stromstärke zunächst kontinuierlich an und fällt dann, wenn eine Bewegung des Pilotventilkolbens 6 einsetzt, für eine kurze Zeitspanne ab. Zum Zeitpunkt t3 ist die Bewegung des Pilotventilkolbens 6 beendet und der Pilotventilkolben 6 befindet sich nun in einer Offenstellung. Damit steigt der Strom ab dem Zeitpunkt t3 wieder kontinuierlich an. Der Stromverlauf 32 weist also zum Zeitpunkt t3 eine erste Unstetigkeit auf, anhand derer die Stellung bzw. Position des Pilotventilkolbens 6 ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben 6 das Schließelement 15 des Hauptventils 12 direkt folgt, kann so folglich die Betriebsstellung des Schließelements 15 zum Zeitpunkt t3 als zweite Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung 21 zum Airbag freigibt, bestimmt werden. Ab dem Zeitpunkt t3 steigt folglich auch das Airbaggasvolumen im Airbag an.
In einem nächsten Schritt wird zum Zeitpunkt t4 eine Polarität der angelegten elektrischen Spannung umgekehrt, um die in der Spule 11 gespeicherte Energie möglichst schnell und reproduzierbar abzubauen und so ein schnelles Schalten des Pilotventilkolbens 6 von seiner aktuellen Öffnungsposition in eine Schließposition durchzuführen. Dadurch sinkt der Strom im weiteren Verlauf schnell auf null.
Erreicht der Pilotventilkolben 6 dann die Schließposition zum Zeitpunkt t5, entsteht eine Gegeninduktion und die Eigenschaften des Magnetkreises werden verändert. Dies zeigt sich in einer Unstetigkeit der am Pilotventil 5 anliegenden elektrischen Spannung bzw. im entsprechenden Spannungsverlauf 33. Der Spannungsverlauf 33 weist also nach der Umkehr der Polarität zum Zeitpunkt t5 eine Unstetigkeit auf, anhand derer die Stellung bzw. Position des Pilotventilkolbens 6 ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben 6 das Schließelement 15 des Hauptventils 12 direkt folgt, kann so folglich die Betriebsstellung des Schließelements 15 zum Zeitpunkt t5 als erste Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung 21 zum Airbag verschließt, bestimmt werden. Ab dem Zeitpunkt t5 steigt folglich auch das Airbaggasvolumen im Airbag nicht weiter an.
In 3 ist in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein Aufprallschutzsystem 1 mit einer Ventilanordnung 4 in einer alternativen Ausführungsform dargestellt.
Das Aufprallschutzsystem 1 entspricht im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der 1. Im Unterschied zur 1 ist das Pilotventil 5 als stromlos offenes Pilotventil 5 ausgebildet.
Ohne angelegte elektrische Spannung bzw. ohne Strombeaufschlagung drückt die Druckfeder 10 den Pilotventilkolben 6 von der Pilotzulaufbohrung 7 weg in eine Öffnungsposition, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 freigibt. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung und einen dadurch bedingten Stromfluss durch die Spule 11 wirkt eine Magnetkraft entgegen der Federkraft der Druckfeder 10. Diese bewegt den Anker 9 und damit den Pilotventilkolben 6 hin zu der Pilotventilzulaufbohrung 7 in eine Schließposition, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 verschließt.
Nach einer Aktivierung des Gasgenerators 2 steigt der Airbaggasdruck in der Durchgangsöffnung 14 und somit in der Vorkammer 17 an. Das Pilotventil 5 bzw. die Spule 11 wird bestromt, wodurch das das Pilotventil 5 geschlossen wird, der Pilotventilkolben 6 also in eine Schließposition bewegt. Der Airbaggasdruck steht an der zweiten Druckwirkfläche 20 des Schließelements 15 an. Das Schließelement 15 wird dadurch axial in Richtung der Steuerkammer 16 gedrückt. Dadurch wird die Ablaufbohrung 21 zunächst geöffnet und Airbaggas über den Auslass 22 in den Airbag abgeführt. Durch den Staudruck an dem Schließelement 15 in der Vorkammer 17 strömt das Airbaggas zudem über den Überströmkanal 18 in die Steuerkammer 16. Dadurch steigt der Airbaggasdruck in der Steuerkammer 16 an. Beim Erreichen eines Aktivierungsdrucks, welcher hier derjenige Druck ist, der mindestens notwendig ist, um das Schließelement 15 in die erste Betriebsstellung und damit in Schließstellung zu bewegen, bewegt sich das Schließelement 15 in Richtung Vorkammer 17 und die Ablaufbohrung 21 wird verschlossen.
Wird in einem nächsten Schritt die Polarität der angelegten Spannung umgekehrt, so wird der Pilotventilkolben 6 dann in die Öffnungsposition geschoben, d.h. in eine Position, in welcher der Pilotventilkolben 6 die Pilotventilzulaufbohrung 7 freigibt. Dadurch strömt Airbaggas über die Pilotventilzulaufbohrung 8 aus der Steuerkammer 16 ab und es verringert sich der Airbaggasdruck in der Steuerkammer 16. Bei Erreichen des Aktivierungsdrucks, welcher hier nun derjenige Druck ist, der notwendig ist, um das Schließelement 15 in die zweite Betriebsstellung und damit in Offenstellung zu bewegen, bewegt sich der das Schließelement 15 in Richtung Steuerkammer 16 und die Ablaufbohrung 21 wird geöffnet, wodurch Airbaggas zu der Ablaufbohrung 21 und anschließend über den Auslass 22 in den Airbag dosiert wird.
Dabei wird zumindest während des Anliegens einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil 5 bzw. der Spule 11 mittels der Auswerteeinheit 23 der elektrische Strom sowie die elektrische Spannung an der Spule 11 zeitabhängig ausgewertet und basierend darauf die Betriebsstellung des Schließelements 15 zu einem oder mehreren Zeitpunkten bestimmt.
4 zeigt ein schematisches Diagramm, das einen Spannungs-, Strom- und Airbagfüllverlauf des Aufprallschutzsystems 1 aus 3 in Abhängigkeit der Zeit t darstellt.
Dabei ist ein Füllverlauf des Airbags mit Airbaggas wiederum mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Ein Stromverlauf des elektrischen Stroms am Pilotventil 5 ist mit dem Bezugszeichen 32 versehen und ein Spannungsverlauf der anliegenden elektrischen Spannung am Pilotventil 5 ist mit dem Bezugszeichen 33 versehen.
Bei der Aktivierung des Gasgenerators 2 zum Zeitpunkt t1 ist das Pilotventil 5 geöffnet, der Pilotventilkolben 6 befindet sich also in der Öffnungsposition. Auch das Schließelement 15 befindet sich zum Zeitpunkt t1 in der ersten Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung 21 zum Airbag freigibt oder in einer beliebigen anderen Betriebsstellung bzw. Position. Durch den nach Aktivierung des Gansgenerators 2 an der zweiten Druckwirkfläche 20 des Schließelements 15 anstehenden Airbaggasdruck wird das Schließelement 15 axial in Richtung der Steuerkammer 16 gedrückt und die Ablaufbohrung 21 zunächst geöffnet und Airbaggas über den Auslass 22 in den Airbag abgeführt, wodurch folglich auch das Airbaggasvolumen im Airbag ansteigt.
Wird in einem nächsten Schritt dann zum Zeitpunkt t2 eine Spannung an das Pilotventil 5 bzw. an die Spule 11 angelegt, diese also bestromt, so steigt nach dem Anlegen der elektrischen Spannung der Strom bzw. die Stromstärke zunächst kontinuierlich an und fällt dann, wenn eine Bewegung des Pilotventilkolbens 6 einsetzt, für eine kurze Zeitspanne ab. Zum Zeitpunkt t3 ist die Bewegung des Pilotventilkolbens 6 beendet und der Pilotventilkolben 6 befindet sich nun in einer Schließstellung. Damit steigt der Strom ab dem Zeitpunkt t3 wieder kontinuierlich an. Der Stromverlauf 32 weist also zum Zeitpunkt t3 eine erste Unstetigkeit auf, anhand derer die Stellung bzw. Position des Pilotventilkolbens 6 ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben 6 das Schließelement 15 des Hauptventils 12 direkt folgt, kann so folglich die Betriebsstellung des Schließelements 15 zum Zeitpunkt t3 als erste Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung 21 zum Airbag verschließt, bestimmt werden. Ab dem Zeitpunkt t3 steigt folglich auch das Airbaggasvolumen im Airbag nicht weiter an.
In einem nächsten Schritt wird zum Zeitpunkt t4 eine Polarität der angelegten elektrischen Spannung umgekehrt, um die in der Spule 11 gespeicherte Energie möglichst schnell und reproduzierbar abzubauen und so ein schnelles Schalten des Pilotventilkolbens 6 von seiner aktuellen Schließposition in eine Öffnungsposition durchzuführen. Dadurch sinkt der Strom im weiteren Verlauf schnell auf null.
Erreicht der Pilotventilkolben 6 dann die Schließposition zum Zeitpunkt t5, entsteht eine Gegeninduktion und die Eigenschaften des Magnetkreises werden verändert. Dies zeigt sich in einer Unstetigkeit der am Pilotventil 5 anliegenden elektrischen Spannung bzw. im entsprechenden Spannungsverlauf 33. Der Spannungsverlauf 33 weist also nach der Umkehr der Polarität zum Zeitpunkt t5 eine Unstetigkeit auf, anhand derer die Stellung bzw. Position des Pilotventilkolbens 6 ableitbar ist. Da dem Pilotventilkolben 6 das Schließelement 15 des Hauptventils 12 direkt folgt, kann so folglich die Betriebsstellung des Schließelements 15 zum Zeitpunkt t5 als zweite Betriebsstellung, in der es die Ablaufbohrung 21 zum Airbag freigibt, bestimmt werden. Ab dem Zeitpunkt t5 steigt folglich auch das Airbaggasvolumen im Airbag weiter an.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Betreiben der Ventilanordnung 4 des Aufprallschutzsystems 1 aus 1 oder 3.
In einem Schritt 110 wird eine elektrische Spannung an das Pilotventil 5 angelegt. In einem Schritt 120 wird ein elektrischer Parameter am Pilotventil 5 erfasst und ausgewertet, wobei in einem Schritt 130 die Betriebsstellung des Schließelements 15 des Hauptventils 12 basierend auf der Auswertung bestimmt wird.
Bezugszeichenliste

1: Aufprallschutzsystem
2: Gasgenerator
3: Airbaggasaustrittskanal
4: Ventilanordnung
5: Pilotventil
6: Pilotventilkolben
7: Pilotventilzulaufbohrung
8: Polstück
9: Anker
10: Druckfeder
11: Spule
12: Hauptventil
13: Führungsgehäuse
14: Durchgangsöffnung
15: Schließelement
16: Steuerkammer
17: Vorkammer
18: Überströmkanal
19: erste Druckwirkfläche
20: zweite Druckwirkfläche
21: Ablaufbohrung
22: Auslass
23: Auswerteeinheit
31: Airbagfüllverlauf
32: Stromverlauf
33: Spannungsverlauf

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 102015209019 A1 [0006]

Claims

Ventilanordnung (4) für einen Gasgenerator (2) zum Steuern eines Massenstroms eines druckbeaufschlagten Airbaggases aus dem Gasgenerator (2) zum Befüllen eines Airbags eines Kraftfahrzeugs, umfassend: - ein elektrisch ansteuerbares Pilotventil (5) mit einem Pilotventilkolben (6), einer mit dem Pilotventilkolben (6) verschließbaren Pilotventilzulaufbohrung (7), und einer Spule (11), die im bestromten Zustand eine Bewegungskraft zum Bewegen des Pilotventilkolbens (6) induziert; und - ein Hauptventil (12) mit einem Führungsgehäuse (13) mit einer Durchgangsöffnung (14), einem in der Durchgangsöffnung (14) verschiebbar angeordneten Schließelement (15), das die Durchgangsöffnung (14) in eine fluidisch über die Pilotventilzulaufbohrung (7) mit dem Pilotventil (5) verbundene Steuerkammer (16) und eine fluidisch mit dem Gasgenerator (2) verbindbare Vorkammer (17) teilt, und einem Überströmkanal (18), der die Vorkammer (17) und die Steuerkammer (16) fluidisch miteinander verbindet; wobei innerhalb des Führungsgehäuses (13) eine Ablaufbohrung (21) zum Ablassen des Airbaggases in den Airbag von der Durchgangsöffnung (14) abzweigt, und wobei das Schließelement (15) in einer ersten Betriebsstellung die Ablaufbohrung (21) verschließt und in einer zweiten Betriebsstellung die Ablaufbohrung (21) freigibt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer Betriebsstellung des Schließelements (15) eine Auswerteeinheit (23) vorgesehen ist, und dass die Auswerteinheit (23) dazu ausgebildet ist, im Betrieb bei Anliegen einer elektrischen Spannung an dem Pilotventil (5) einen elektrischen Parameter am Pilotventil (5) auszuwerten und basierend darauf die Betriebsstellung des Schließelements (15) zu bestimmen.
Ventilanordnung (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Strom ausgewertet wird.
Ventilanordnung (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstellung des Schließelements (15) anhand einer ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf (32) bestimmt wird, nachdem die elektrische Spannung angelegt worden ist.
Ventilanordnung (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen der ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf (32) die Betriebsstellung des Schließelements (15) als die erste Betriebsstellung oder die zweite Betriebsstellung bestimmt wird.
Ventilanordnung (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotventil (5) als ein stromlos geschlossenes Pilotventil (5) ausgebildet ist, und dass bei Vorliegen der ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf (32) die Betriebsstellung des Schließelements (15) als die zweite Betriebsstellung bestimmt wird.
Ventilanordnung (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotventil (5) als ein stromlos offenes Pilotventil (5) ausgebildet ist, und dass bei Vorliegen der ersten Unstetigkeit im elektrischen Stromverlauf (32) die Betriebsstellung des Schließelements (15) als die erste Betriebsstellung bestimmt wird.
Ventilanordnung (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte elektrische Spannung ausgewertet wird.
Ventilanordnung (4) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsstellung des Schließelements (15) anhand einer Unstetigkeit im angelegten elektrischen Spannungsverlauf (33) bestimmt wird nachdem eine Polarität der angelegten elektrischen Spannung umgekehrt worden ist.
Ventilanordnung (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen der Unstetigkeit im elektrischen Spannungsverlauf (33) die Betriebsstellung des Schließelements (15) als die erste Betriebsstellung oder die zweite Betriebsstellung bestimmt wird.
Ventilanordnung (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotventil (5) als ein stromlos geschlossenes Pilotventil (5) ausgebildet ist, und dass bei Vorliegen der Unstetigkeit im elektrischen Spannungsverlauf (33) die Betriebsstellung des Schließelements (15) als die erste Betriebsstellung bestimmt wird.
Ventilanordnung (4) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pilotventil (5) als ein stromlos offenes Pilotventil (5) ausgebildet ist, und dass bei Vorliegen der Unstetigkeit im elektrischen Spannungsverlauf (33) die Betriebsstellung des Schließelements (15) als die zweite Betriebsstellung bestimmt wird.
Aufprallschutzsystem (1) für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Airbag, einen Gasgenerator (2), der dazu ausgebildet ist, ansprechend auf ein Aktivierungssignal druckbeaufschlagtes Airbaggas bereitzustellen, und eine Ventilanordnung (4) zum Steuern eines Massenstrom des Airbaggases zum Befüllen des Airbags nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Vorkammer (17) der Durchgangsöffnung (14) des Hauptventils (12) fluidisch mit einem Airbaggasaustrittskanal (3) des Gasgenerators (2) verbunden ist.
Verfahren (100) zum Betreiben einer Ventilanordnung (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren (100) folgende Schritte umfasst: - Anlegen (110) einer elektrischen Spannung an das Pilotventil (5); - Auswerten (120) eines elektrischen Parameters am Pilotventil (5); und - Bestimmen (130) einer Betriebsstellung des Schließelements (15) basierend auf der Auswertung.