DE19602009A1 - Hybridgasgenerator mit Projektil für einen Airbag - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator für die Erzeugung von Druckgas zum Aufblasen eines Luftsacks in einem Airbagsystem mit einem Druckfluid in einem Vorratsbehälter, mit einer Berstvorrichtung, die den vorzeitigen Austritt des Druckfluids verhindert, mit einer innerhalb des Vorratsbehälters angeordneten Brennkammer, in der ein brennbares Treibmittel unterge­ bracht ist und die eine auf die Berstvorrichtung gerichtete axiale Hauptöff­ nung aufweist, und mit einer Anzündvorrichtung im Bereich der Brenn­ kammer zum Zünden des Treibmittels.

Ein derartiger Gasgenerator ist durch die US 5,033,772 bekannt geworden.

Gasgeneratoren, zu denen auch Hybridgasgeneratoren zählen, dienen dazu, im Falle eines harten Aufpralls eines Kraftfahrzeugs eine Gasmischung zum Füllen eines Luftsackes zu erzeugen. Der Luftsack schützt einen Fahrzeugin­ sassen vor dem Aufprall auf harte Fahrzeuginnenteile wie das Lenkrad oder die Seitenverkleidungen. Innerhalb dieser Gasgeneratoren ist im allgemei­ nen eine auf pyrotechnische Art zu entzündende Treibstoffladung vorgese­ hen. Wenn durch einen Stromimpuls von der einen Fahrzeug-Crash erken­ nenden Sensorik eine Anzündeeinheit aktiviert wird, werden heiße Partikel erzeugt, die dann auf die Oberfläche eines meist in Tablettenform vorlie­ genden Treibstoffes treffen. Dieser wird dann selbst entzündet, brennt in der sogenannten Brennkammer unter einem hohen Druck ab und erzeugt das Treibgas. Das Treibgas strömt aus der Brennkammer aus und mischt sich mit einem inerten Vorratsgas, so daß innerhalb der sogenannten Vorrats­ kammer ein hoher Druck entsteht, der eine Berstvorrichtung zum Zerbre­ chen bringt. Anschließend kann die Gasmischung aus dem Gasgenerator durch eine Ausströmöffnung ausströmen und den Luftsack aufblasen. Da keine reine Gasmischung entsteht, sondern eine Mischung von flüssigen und festen Bestandteilen vorhanden ist, wird die Gasmischung nach Verlassen der Vorratskammer durch eine Filterkammer geleitet, in der entsprechende Filter vorgesehen sind. Dadurch wird die Gasmischung vor dem Austritt aus dem Gasgenerator gereinigt.

Innerhalb des bekannten Gasgenerators ist die von der Vorratskammer um­ gebene Brennkammer derart angeordnet, daß die Brennkammer und die Vorratskammer durch Austrittsöffnungen der Brennkammer unmittelbar im Bereich der Ausströmöffnung der Vorratskammer miteinander verbunden sind. Wenn nun eine Treibstoffladung mit Hilfe einer Anzündeeinheit inner­ halb der Brennkammer gezündet wird und abbrennt, entsteht ein Treibgas, das durch die Austrittsöffnungen in diesen Bereich der Vorratskammer vor der Ausströmöffnung geleitet wird. Folglich erhöht sich der Druck auf die Bersteinrichtung, in der Regel eine zerbrechliche Berstscheibe oder -folie, die die Ausströmöffnung nach überschreiten eines Grenzdruckes freigibt.

Aufgrund der Anordnung der Austrittsöffnungen der Brennkammer kann sich nur eine geringe Durchmischung des Treibgases mit dem Vorratsgas er­ geben. Bei dem bekannten Gasgenerator findet keine Integration des hei­ ßen Treibgasanteils in das Vorratsgas statt. Da sowohl die Brennkammer als auch die Vorratskammer in der Regel zylinderförmig ausgebildet sind und die Vorratskammer die Brennkammer umgibt, findet nach dem Ausströmen des Treibgases in das Vorratsgas keine Erhöhung des Innendrucks innerhalb der Vorratskammer statt, die über den gesamten Bereich der Vorratskam­ mer konstant ist. Es kommt daher nur zu einer partiellen Druckerhöhung im Bereich der Bersteinrichtung, so daß die Druckbeaufschlagung der Berstein­ richtung im wesentlichen durch das erzeugte heiße Treibgas stattfindet. Folglich ist die Bersteinrichtung einer hohen Temperaturbelastung ausge­ setzt. Daher erfolgt eine Freigabe der Ausströmöffnung nicht nur durch ein Zerbrechen der Bersteinrichtung, sondern auch durch ein Aufschmelzen der Bersteinrichtung. Somit ist nicht gewährleistet, daß eine stets gleich große Querschnittsöffnung zum Ausströmen des Gasgemisches freigegeben wird. Dies beeinträchtigt die Funktionsweise des gesamten Airbagsystems, da es zu einem zeitlich verzögerten Druckanstieg innerhalb des Luftsackes des Airbagsystems kommt.

Durch die unmittelbare Anordnung der Austrittsöffnungen der Brennkam­ mer im Bereich der Berstscheibe ist es notwendig, Filterelemente und Ab­ kühleinrichtungen im Bereich der Austrittsöffnungen anzuordnen, um den obengenannten Problemen vorzubeugen. Dies führt aber zu einer aufwen­ digen und teuren Ausgestaltung des Gasgenerators und beeinträchtigt an­ dererseits die Durchmischung des entstandenen Treibgases mit dem Vor­ ratsgas noch weiter.

Aus der EP 0 455 435 A2 ist ein einstufiger Hybridgasgenerator bekannt, bei dem im Falle eines Fahrzeugunfalls eine Trennwand eines Gasvorratsbehäl­ ters zerstört wird, um das innerhalb des Vorratsbehälters befindliche Gas in einen Luftsack ausströmen zu lassen. Die Zerstörung der Trennwand und die dadurch erfolgende Freigabe einer Ausströmöffnung werden durch eine mit Hilfe von Sensoren gesteuerte elektrische Zündeinrichtung bewirkt. Um weiteres Gas zum Aufblasen des Luftsackes nachliefern zu können, erfolgt eine zweite zeitlich verzögerte Gasentwicklung durch das Entzünden einer Treibstoffladung. Nachteiligerweise muß bei diesem Gasgenerator eine se­ parate elektrische Zündeinrichtung zum Aufbrechen der Trennwand vorge­ sehen werden, da eine Zerstörung der Trennwand nicht durch den inner­ halb des Gasvorratsbehälters entstehenden Gasinnendruck erfolgen kann. Somit ist ein zusätzliches Bauteil nötig, das die Bauweise des bekannten Gasgenerators aufwendiger und komplizierter gestaltet und seine Fertigung verteuert.

Nach der Lehre der EP 0 539 872 A1 wird vorgeschlagen, eine Trennwand zwischen einer Brennkammer und einer Vorratskammer, in der sich ein Flüs­ siggas befindet, durch einen beweglichen Kolben zu zerstören. Der Antrieb des Kolbens erfolgt durch ein innerhalb der Brennkammer in Folge eines Abbrandes der Treibstoffladung entstehen des Treibgas. Da das Treibgas ei­ nerseits zum Antrieb des Kolbens und andererseits zum Entzünden des Flüs­ siggases genutzt wird, sind bei diesem Gasgenerator mehrere Strömungska­ näle notwendig, um das heiße Treibgas mit dem Flüssiggas zu mischen. Nach einer Verbrennung der Treibstoffladung in einem nachgeschalteten Ver­ brennungsraum gelangen die durch die Verbrennung der Treibstoffladung entstandenen Treibgase über Ausströmöffnungen in einen aufblasbaren Luftsack. Die Ausströmöffnungen sind immer geöffnet und nicht abgedeckt. Daher kann sich in einem Verbrennungsraum dieses Gasgenerators kein Druck aufbauen, der sich schlagartig durch gezielte und definierte Freigabe von Ausströmöffnungen bzw. durch das Ausströmen der Gasmischung in ei­ nen Luftsack abbauen kann.

Auch in der EP 0 604 001 A1 ist ein Gasgenerator beschrieben, der einen Vor­ ratsbehälter mit einem darin befindlichen und unter Druck stehenden Gas aufweist. Im Bereich einer zerbrechlichen Trennwand des Vorratsbehälters ist innerhalb eines Brennkammerrohres einer Brennkammer ein Projektil be­ weglich ausgebildet. Mit Hilfe einer Anzündeinrichtung wird zunächst ein Treibgas zur Bewegung des Projektils erzeugt. Anschließend wird eine an dem Projektil befindliche Zündladung ebenfalls entzündet, so daß das Pro­ jektil bei seiner weiteren Bewegung die Trennwand zerstört und als Träger des entzündeten Zündmaterials ein Entzünden des in dem Vorratsbehälter unter Druck stehenden Gases ermöglicht. Hier ist ein zusätzliches Gehäuse, in welchem der Vorratsbehälter untergebracht ist und über dessen Öffnun­ gen das ausströmende Gas den Luftsack aufbläst, und eine zusätzliche Halte­ rung für den Vorratsbehälter notwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gas­ generator der eingangs beschriebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß er aus möglichst wenigen Bauteilen einfach und kompakt aufge­ baut ist und dennoch ein schnelles und definiertes Öffnen der Berstvorrich­ tung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Durchbre­ chen der Berstvorrichtung ein Projektil in oder vor der Hauptöffnung ange­ ordnet ist, und daß die Anzündvorrichtung innerhalb des Vorratsbehälters ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Gasgenerator hat damit den wesentlichen Vorteil, daß der Zündanteil des Gasgenerators in den Vorratsbehälter, z. B. in eine Druckgasflasche integriert ist. Somit ist die gesamte Anzündevorrichtung, beispielsweise die einzelnen Elemente einer pyrotechnischen Anzündevor­ richtung, vom Medium der Flaschenfüllung (im allgemeinen 97% Argon, 3% Helium) und dem Innendruck (ca. 220 bar) umgeben. Dies führt aufgrund der Reduzierung der Anzahl von Einzelkomponenten zu einer vereinfachten, kompakten Bauweise und zu einer Gewichtsreduzierung. Weiterhin wird durch einfache Verbindungstechniken die Montage vereinfacht und eine modulare Bauweise ermöglicht.

Im Gegensatz zum Durchbrechen der Berstvorrichtung mittels ansteigender Druckbeaufschlagung führt das Durchbrechen der Berstvorrichtung, bei­ spielsweise einer Berstmembran, mittels eines Projektils zu einem schnellen und definierten öffnen, wobei durch die spezielle Anordnung der Brenn­ kammer eine besonders kompakte Bauweise gegeben ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gasgene­ rators ist das Projektil vor der Hauptöffnung in einer die Hauptöffnung i.w. verschließenden Aufnahme angebracht, die eine oder mehrere Durch­ gangsbohrungen aufweist, die eine Verbindung zwischen der Brennkammer und der Rückseite des Projektils herstellen. Über die Durchgangsboh­ rung(en) wird das Projektil mit dem Druck in der Brennkammer beauf­ schlagt.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Projektil in der Hauptöffnung bzw. in der Aufnahme durch eine formschlüssige Verbindung, beispielswei­ se einen Ring aus Kunststoff, oder durch eine stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Klebeverbindung, fixierbar. Durch die Wahl der Verbin­ dung kann auch die Druckschwelle festgelegt werden, die zum Her­ aussprengen des Projektils aus der Brennkammer überschritten werden muß.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die vorzugsweise zylinderförmig ausgebildete Brennkammer an ihrer Außenumfangsfläche mehrere Austrittsöffnungen in radialer Richtung auf, die nicht druckdicht gegenüber dem Druckfluid in dem Vorratsbehälter ausgeführt sind. Die Aus­ trittsöffnungen sind der Gehäuseinnenwand des Vorratsbehälters gegen­ überliegend angeordnet. Heiße Partikel innerhalb des Treibgases, die beim Abbrand des Treibstoffes entstehen, können sich an der kalten Gehäuse­ wand ablagern und somit aus der Gasmischung ohne zusätzliche Filterele­ mente bereits in dem Vorratsbehälter ausgefiltert werden. Das heiße Treib­ gas kühlt sich durch das umgebende kalte Vorratsgas und insbesondere durch die kalte Gehäusewand so stark ab, daß die gasförmigen Partikel sehr schnell in den festen Aggregatzustand übergehen. Durch das radiale Aus­ strömen des Treibgases aus der Brennkammer treffen die heißen Partikel innerhalb des Treibgases auf die Gehäusewand der Vorratskammer und kondensieren dort, weil innerhalb der Vorratskammer nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Somit wird über die gesamte Funkti­ onsdauer des Gasgenerators die Erzeugung von Mischgas aus heißem Gas aufgrund des Treibstoffabbrandes und kaltem Gas aus dem Vorratsbehälter sichergestellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Projektil mit einer insbesondere halbkugelförmig ausgebildeten, auf die Berstvorrichtung ge­ richteten Aufschlagfläche versehen, um ein sicheres Durchbrechen der Berstvorrichtung zu gewährleisten.

In einer bevorzugten Ausführungsform schließlich ist eine von der Berstvor­ richtung verschließbare Abströmöffnung innerhalb einer Filtervorrichtung angeordnet. Somit kann das durch die Berstvorrichtung getretene Projektil in der Filtervorrichtung aufgefangen und die aus der Austrittsöffnung aus­ strömende Gasmischung gefiltert werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schil­ derung der Erfindung.

Die Erfindung ist im Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt stark schematisiert einen teilweisen Längsquerschnitt durch ein Aus­ führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gegenstandes und ist nicht notwendigerweise maßstäblich zu verstehen.

In der Fig. 1 ist ein Gasgenerator 10 von der Seite in einem teilweise längs aufgeschnittenen Zustand gezeigt. Der Gasgenerator 10 besteht im wesent­ lichen aus einer Brennkammer 11 mit einem Brennkammergehäuse 12, das von einer Vorratskammer 13 mit einem Vorratskammergehäuse 14 umge­ ben ist. In der Vorratskammer 13 befindet sich ein unter Druck (z. B. unter einem Innendruck von ca. 220 bar) stehen des Vorratsgas, das im allgemei­ nen aus 97% Argon und 3% Helium besteht. Ein luftsackseitiges Ende 15 der Vorratskammer 13 verjüngt sich konisch und bildet eine Abströmöffnung 16. Die Abströmöffnung 16 ist bei dem in der Figur gezeigten, nicht-akti­ vierten Zustand des Gasgenerators 10 durch eine Berstmembran 17 ver­ schlossen. An dem Ende 15 ist ein Filterkammergehäuse 18 über beispiels­ weise eine Kerbverbindung formschlüssig mit dem Vorratskammergehäuse 14 verbunden, so daß sich an die Vorratskammer 13 hinter der Abströmöff­ nung 16 eine Filterkammer 19 anschließt. An der Innenwand des Filterkam­ mergehäuses 18 ist ein Filter 20 angeordnet.

Das Brennkammergehäuse 12 ist als Brennkammerrohr ausgebildet, an des­ sen luftsackseitiger axialer Brennkammeröffnung 21 eine hülsenförmige Aufnahme 22 mit mehreren axialen Durchgangsbohrungen 23 angebracht ist. In dieser Aufnahme 22 ist ein Projektil 24 mit halbkugelförmiger Auf­ schlagfläche 32 entweder formschlüssig oder über eine Klebeverbindung stoffschlüssig gehalten. Diese Aufnahme 22 kann, falls das Projektil 24 als Verdämmung für das Brennkammerrohr 12 dient, auch entfallen.

Am luftsackabgewandten Ende 25 des Gasgenerators 10 sind das Vorrats­ kammergehäuse 14 und das Brennkammergehäuse 12 mit einem Endflansch 26, in dem sich eine pyrotechnische Anzündeeinheit 27 befindet, z. B. mit­ tels Schweißverbindungen abgeschlossen. Der pyrotechnische Anteil des Gasgenerators 10 ist somit in die Vorratskammer 14 integriert, d. h., die ein­ zelnen pyrotechnischen Elemente wie z. B. Anzünder, Anzündmischung etc. sind von dem unter Druck stehenden Vorratsgas umgeben.

Das Brennkammerrohr 12 ist auf seiner axialen Länge mit radialen Austritts­ öffnungen 28 ausgebildet, die die Brennkammer 11 mit der Vorratskammer 13 verbinden. In dem Brennkammerrohr 12 ist eine Treibstoffladung 29, z. B. in Form eines in Tablettenform vorliegenden Feststoffes gelagert, der von dem Vorratsgas direkt druckbeaufschlagt ist.

Wenn eine in der Figur nicht gezeigte Sensorik des Airbagsystems einen Fahrzeugunfall mit einem harten Aufprall des Fahrzeugs erkennt, wird die Anzündeeinheit 27 des Gasgenerators 10 aktiviert, so daß sich die Treib­ stoffladung 29 innerhalb der Brennkammer 11 entzündet und abbrennen kann. Durch den Abbrand der Treibstoffladung 29 entsteht ein Treibgas, das durch die Austrittsöffnungen 28 aus der Brennkammer 11 in die Vorrats­ kammer 13 ausströmen kann. Da die Austrittsöffnungen 28 in radialer Rich­ tung an dem Brennkammergehäuse 12 vorgesehen sind, kommt es zu einer guten Durchmischung des Treibgases mit dem innerhalb der Vorratskammer 13 befindlichen kalten und inerten Vorratsgas. Das aus der Brennkammer 11 entweichende heiße Treibgas wird einerseits durch das kalte Vorratsgas und andererseits an der Gehäusewand des Vorratskammergehäuses 14 abge­ kühlt. Durch den Abkühlprozeß und die geringe Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Vorratskammer 13 gehen heiße Partikel innerhalb des Treib­ stoffgases von einem gasförmigen in einen festen Aggregatzustand über und kondensieren an der Gehäusewand des Vorratskammergehäuses 14. Das Mischgas, d. h. heißes Gas aufgrund des Treibstoffabbrandes und kaltes Gas aus der Vorratskammer 13, wird so über die gesamte Funktionsdauer des Gasgenerators 10 erzeugt.

Der sich in der Brennkammer 11 aufbauende Druck wirkt über die Durch­ gangsbohrungen 23 in der Aufnahme 22 auf das Projektil 24, das sich bei ei­ nem entsprechend hohen Druck aus der Aufnahme 22 löst und sodann die Berstmembran 17 schnell und definiert durchschlägt. Das Projektil 24 trifft auf die Innenrückwand 30 der Filterkammer 19 und wird so außerhalb des Vorratskammergehäuses 14 aufgefangen. Durch die durch die durchbro­ chene Berstmembran 17 freigegebene Abströmöffnung 16 der Vorrats­ kammer 13 strömt das Mischgas 14 aus und wird über den Filter 20 in der Filterkammer 19 weiter gereinigt, bevor es über radiale Austrittsöffnungen 31 in der Filterkammer 19 in einen Luftsack (nicht gezeigt) einströmt und diesen aufbläst.

Bei einem Gasgenerator 10 für ein Airbagsystem mit einem Druckfluid in ei­ nem Vorratsbehälter 13, mit einer Berstvorrichtung 17, die den vorzeitigen Austritt des Druckfluids verhindert, mit einer innerhalb des Vorratsbehälters angeordneten Brennkammer 11, in der ein brennbares Treibmittel 29 un­ tergebracht ist und die eine auf die Berstvorrichtung 17 gerichtete axiale Brennkammeröffnung 21 aufweist, mit einer Anzündvorrichtung 27 im Be­ reich der Brennkammer 11 zum Zünden des Treibmittels 29 und mit Verbin­ dungsöffnungen 28 zwischen Brennkammer 11 und Vorratsbehälter 13 ist zum Durchbrechen der Berstvorrichtung 17 ein Projektil 24 in oder vor der Brennkammeröffnung 21 angeordnet und die Anzündvorrichtung 27 inner­ halb des Vorratsbehälters 13 ausgebildet. Der Gasgenerator 10 zeichnet sich wegen seiner wenigen Einzelkomponenten durch eine vereinfachte Bauwei­ se und durch geringes Gewicht aus. Durch einfache Verbindungstechniken wie Schweißen und Formschluß wird die Montage vereinfacht und eine mo­ dulare Bauweise ermöglicht.

Claims (6)

1. Gasgenerator (10) für die Erzeugung von Druckgas zum Aufblasen eines Luftsacks in einem Airbagsystem mit einem Druckfluid in einem Vorratsbe­ hälter (13), mit einer Berstvorrichtung (17), die den vorzeitigen Austritt des Druckfluids verhindert, mit einer innerhalb des Vorratsbehälters (13) ange­ ordneten Brennkammer (11), in der ein brennbares Treibmittel (29) unter­ gebracht ist und die eine auf die Berstvorrichtung (17) gerichtete axiale Hauptöffnung (21) aufweist, und mit einer Anzündvorrichtung (27) im Be­ reich der Brennkammer (11) zum Zünden des Treibmittels (29), dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Durchbrechen der Berstvorrichtung (17) ein Projektil (24) in oder vor der Hauptöffnung (21) angeordnet ist, und daß die Anzünd­ vorrichtung (27) innerhalb des Vorratsbehälters (13) ausgebildet ist.

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (24) vor der Hauptöffnung (21) in einer die Hauptöffnung (21) i.w. verschlie­ ßen den Aufnahme (22) angebracht ist, die eine oder mehrere Durchgangs­ bohrungen (23) aufweist, die eine Verbindung zwischen der Brennkammer (11) und der Rückseite des Projektils (24) herstellen.

3. Gasgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (24) durch eine formschlüssige Verbindung oder eine stoffschlüssi­ ge Verbindung in der Hauptöffnung (21) bzw. in der Aufnahme (22) fixierbar ist.

4. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vorzugsweise zylinderförmig ausgebildete Brenn­ kammer (11) an ihrer Außenumfangsfläche mehrere Austrittsöffnungen (28) in radialer Richtung aufweist, die nicht druckdicht gegenüber dem Druck­ fluid in dem Vorratsbehälter (13) ausgeführt sind.

5. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Projektil (24) mit einer insbesondere halbkugelförmig oder kugelförmig ausgebildeten, auf die Berstvorrichtung (17) gerichteten Aufschlagfläche (32) versehen ist.

6. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine von der Berstvorrichtung (17) verschließbare Ab­ strömöffnung (16) innerhalb einer Filtervorrichtung (19) angeordnet ist.