DE19753074C1 - Rohrgasgenerator mit der Feineinstellungsmöglichkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gasgeneratoren dieser Art sind aus der US 38 10 655 bekannt. Das US-Patent beschreibt einen deformierbaren Flüssigkeitsbehälter, aus dem die Kühlflüssigkeit durch einen Wirbel-(Strudel)Kanal von innen in die Misch­ kammer mit dem hohen Druck von der pyrotechnischen Ladung eingepreßt und beim Zusammenstoßen mit den heißen Strahlen zerstäubt wird. Die Zer­ stäubung dient zur Temperatursenkung für das Treibgas.

Durch die DE 44 43 681 A1 ist ein weiterer Gasgenerator bekannt, bei dem das kalte Druckgas zuerst in den Luftsack strömt und ihn dabei durch eine gerin­ gere thermische Belastung entlastet. Das heiße Treibgas strömt hinterher in den Sack und das Vermischen der Gase findet dort statt. Die dadurch entstehenden Partikel (durch die Verbrennung oder Temperatursenkung) lagern sich somit ebenfalls im Sack ab.

In der EP 07 88 942 A2 wird ein pyrotechnischer mit Brennflüssigkeit und mit Gas gefüllter Gasgenerator beschrieben. Dieser Aufbau dient zur Druck­ erhöhung durch eine Nachverbrennung der Brennflüssigkeit, die sich im Kolben befindet.

Aus der DE 43 07 615 A1 geht eine passive Sicherheitseinrichtung hervor, aufweisend einen Druckgasbehälter, der bei Überschreiten einer definierten Grenzverzögerung gegen ein keilförmiges Bauteil schlägt, dadurch zerbricht und somit das gespeicherte Gas zur Füllung eines Airbags freigibt.

Nachteilig an den bekannten Gasgeneratoren ist deren komplizierter und platzraubender Aufbau.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, hier Abhilfe zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform zeichnet sich durch die nachfolgenden Merkmale aus:

• - Einfacher Aufbau des Rohrgenerators in platzsparender Version bei gleichzeitiger Reduzierung der Teile und einer Vielzahl von Einsatzorten (in der Lenkradsäule, Handschuhfach, ...).
• - Kostenminimierung bei der Fertigung durch eine einfache Schweißverbindung, weniger Energiebedarf bzw. eine geringere Umwelt­ belastung.
• - Verbesserung der Dichtheit gegenüber Luftfeuchtigkeit und damit eine Verlängerung der Lebensdauer des Treibstoffs.
• - Aufwendige Kühlungswege sind nicht notwendig.
• - Bei weiteren Ausgestaltungen, die die Anordnungen der Ausströmöffnungen betreffen, können größere Schubkräfte reduziert werden.

Insbesondere soll erreicht werden, daß bei dem erfindungsgemäßen Rohr­ gasgenerator das Treib-(Verbrennungs-)gas mittels verschiedener Baulängen eines Bauteiles die Gasausströmung fein einstellbar ist und sich das ge­ wünschte Füllvolumen leicht erzielen läßt.

Der Rohrgasgenerator besteht aus einem Brennkammerrohr, einer Anzündein­ heit, einer Düsenscheibe, einer Verdämmung, einem Gas- oder Flüssigkeits­ behälter, dichtgeschlossen mittels einer Membrane, einem Gleitlager, einer Filtereinheit aus Tresse oder Sieb, einem Deckel, der mit einem spitzen Tauchrohr verbunden ist.

Die Bauteile des Rohrgasgenerators bestehen aus einem strukturierten Material, z. B. Leichtmetall Titan oder anderen metallischen oder nicht­ metallischen Stoffen, wie Kunststoffen, gegossen, geschwämmt mit Waben­ struktur oder anderer Struktur, mit Hohlräumen nach außen hin abgeschlossen, mit und ohne Faserverstärkung etc. und ist insbesondere im Spritzguß-, Druckguß- oder Fließpreßverfahren hergestellt.

Das Brennkammerrohr hat im Innenraum eines Anfangs eine Geometrie von einem Anzündträger, der eine Anzündeinheit mit einem O-Ring mittels Bördeln umschließt. Die Düsenscheibe und die Verdämmung trennen das Brenn­ kammerrohr in zwei Kammern: die Brennkammer und die Mischkammer.

Die Innenwand des Brennkammerrohres kann mit Rippen in Längsrichtung versehen werden, es erhöht sich dadurch die Festigkeit des Brenn­ kammerrohres (Wandstärken bzw. Gewichtsminderung möglich!) und es entsteht eine zusätzliche Brennoberfläche für den Treibstoff; eine schnelle Verbrennung bzw. ein Druckaufbau kann in kurzer Zeit erreicht werden. Die Düsenscheibe mit der Verdämmung schließt die Kammer mittels einer einfachen Verschraubung ab. Ein (Gas- oder) Druckbehälter mit einge­ schweißter Membrane wird mit dem Gleitlager aus einem weniger harten Werkstoff (Kupfer, Hartkunststoff, Teflon oder Pa, etc...) mit Preßsitz-Passung im Brennkammerrohr festeingepreßt. Die dadurch entstehende Festsitz­ verbindung zwischen der Brennkammer und dem Gasbehälter verhindert nicht nur das Eindringen von der Feuchtigkeit in die Brennkammer und der ein­ gesetzte hygroskopische Treibstoff verliert dadurch nicht die Verbrennungs­ eigenschaften. Eine Verdämmung in der Brennkammer wie bei den her­ kömmlichen Gasgeneratoren wird dadurch nicht mehr gebraucht. Der Inhalt des Behälters kann entweder eine Flüssigkeit (Alkohol, brennbare Flüssigkeitsmischung, etc...) oder ein brennbares Gas sein und dient als Brennverstärker und als Temperaturkühler des heißen Treibgases. Das Treibgas wird dadurch weniger aggressiv und sauberer.

Das spitze Tauchrohr, das durch Schweißen (einfache Verschraubung oder Preßsitz-Passung) mit dem Deckel verbunden ist, hat einen Hohlraum, der mit entweder senkrecht zur Generatorachse Bohrungen oder der Bohrungen schräg zur Strömungsrichtung des Treibgases, bzw. zur Generatorachse versehen ist.

Die Filtereinheit besteht aus Metalltresse oder einem Sieb (Filtermaterial) und dient als guter Filter bevor das Treibgas in den Airbag gelangt. Der Deckel verschließt das Brennkammerrohr durch eine einzige normale Schweißung (Reib-, MIG-, Widerstand-Schweißen).

Der Rohrgasgenerator funktioniert wie folgt:
Das Prinzip von einem beweglichen Behälter zu einem spitzen Gegenstand, der durch seine Anordnung der Bohrungen und seines Hohlraums eine optimale Mischmöglichkeit mit den entgegenströmenden Treibgasen verschafft, sei nachfolgend beschrieben.

Der Innendruck des Generators ist vor Inbetriebnahme < 0,5 bar (drucklos!). Durch die Zündeinrichtungen wird der Treibstoff in der Brennkammer bei geschlossenem Raum und stark ansteigendem Druck entzündet. Ist ein Brennkammerdruck < 200 bar erreicht, bei welchem die Treibstoffoberfläche bereits vollständig brennt, wird der Druckbehälter durch den hohen Druck in Richtung des spitzen Tauchrohres geschoben, der die Membrane durchdringt. Der Inhalt des Behälters strömt durch die Bohrungen zuerst in den Hohlraum des Tauchrohres, dann auch durch die noch freien Bohrungen in den Mischraum den heißen Treibgasen entgegen, so daß eine optimale Mischung des gemixten Gases je nach Bedarf (entweder zur Nachverbrennung oder zur Temperatursenkung!) erzielt werden kann.

Das heiße Gas strömt entlang dem Behälter und gelangt in die Mischkammer, wo das Mischen zwischen dem heißen Gas und dem Medium des Behälters stattfindet und erzeugt dabei die gewünschte Reaktion: Nachverbrennen oder Kühlen des Treibgases. Die Schlacke und Salzpartikel scheiden sich aus dem heißen Gas aus, das Treibgas wird dadurch sauberer und die Belastung für den Sack und für die Umwelt geringer. Das saubere Gas kann durch Nachverbrennen des Gemischs eine verstärkte Leistung bekommen und strömt schließlich durch das Filter in den Airbag.

Der Treibsatz ist üblicherweise ein Festtreibstoff auf der Grundlage von Natriumazid (NaN₃) und einem Oxidator, wie z. B. KNO₃. Aufgrund der Toxizität des Natriumazids werden neuerdings auch natriumazidfreie Treibstoffe (5-AT oder 100% gaserzeugendes Treibmittel wie Ammoniumnitrat-Treibstoff) verwendet. Zur Einhaltung der zulässigen Maximalkonzentration der entste­ henden unerwünschten Abgase bzw. Verbrennungsnebenprodukte sind folgen­ de Überlegungen anzustellen:

• - Verwendung mit sehr kleiner Azid-Treibstoffmenge.
• - Benutzung der natriumazidfreien Treibstoffe, die gegenüber den herkömm­ lichen Treibstoffen auf Natriumazidbasis jedoch oftmals eine höhere Ver­ brennungstemperatur aufweisen.

Der erste Einsatzfall mit geringerer Natriumazidmenge (NaN₃), abgesehen von den entstehenden Schlacken, erfüllt meistens die Druckanforderung nicht, so daß ein Nachbrennen durch ein umweltfreundliches Produkt (Gase: Wasser­ stoff, und Flüssigkeit: Alkohol, Methanol, Ethanol, etc...) erforderlich ist.

Beim Einsatz von natriumazidfreien Treibstoffen muß die hohe Temperatur der Treibgase in zulässigen Grenzen abgekühlt werden. In diesem Fall soll der Inhalt im Behälter die Funktion eines Kühlmittels übernehmen.

Es ist auch vorstellbar über den Einsatz von Stoffen, die sowohl ein Nach­ verbrennen als auch ein Kühlen bewerkstelligen, die auch die Schlacke im Mischraum beibehalten, sodaß das ausströmende Treibgas sauberer und effektiver ist. Ein thermischer Optimierungsprozeß ist wie folgt: Das Ausströmen (herausgepreßt!) des Gases oder der Flüssigkeit ist stark abhängig von der Bewegung des Behälters zu dem spitzen Öffner und von der Durchdringtiefe des Behälters. Die starken Strahlen des Behälters steuern dem heißen Treibgas entgegen, werden ganz im Mischraum durchmischt, nehmen dabei zum Teil Warmenergie vom heißen Treibgas ab und erreichen somit eine Leistungssteigerung bei gleichzeitig kühleren Abgasen. Die dadurch entste­ henden Schlacke, Salzpartikel (bei Temperatursenkung!) können im Mischraum zurückgehalten werden. Ein Nachbrennen des Gemischs zur Leistungs­ steigerung ist auch möglich. Die Regelung der Druckkurve (durch Einsatz vom Treibstoff + Gas oder Flüssigkeit) ist optimaler und reproduzierbar.

Der Festtreibstoff kann in allen beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in Form von Tabletten, Pellets, Ringen oder Preßlingen vorliegen, oder jede andere in der Technik bekannte Form aufweisen. Die Innenwandung der Brennkammer kann mit Rippen, die parallel zur Rotationsachse sind, versehen sein. Viele gute Eigenschaften: Festigkeiterhöhung, Gewichteinsparung, mehr freie Oberflächen des Treibstoffes, Kostengünstig, etc... werden dadurch geschaffen.

Problematisch bei herkömmlichen Gasgeneratoren ist die Abdichtung der Brennkammer zum Schutze des darin eingeschlossenen Treibmittels (dem hygroskopischen Treibstoff!), insbesondere vor Feuchtigkeit. Die feste Verbin­ dung zwischen dem Druckbehälter und Brennkammerwand durch Preßsitz­ passung und dem Gleitlager verhindert auch das Eindringen der Feuchtigkeit zum Treibstoff und sichert dabei eine gute Anzündung des Treibstoffes (NH₄NO₃-Basis). Der Einsatz des Treibstoff-Containers aus Alu, wegen den Auswirkungen der Feuchtigkeit auf den hygroskopischen Treibstoff ist dadurch überflüssig.

Dieser Rohrgasgenerator kann durch Einsatz der verschiedenen Baulängen vom Brennkammerrohr bzw. verschiedenen Treibstoffarten (Menge), des Behälters mit vielen Inhaltarten (Gas; Flüssigkeiten, etc...), und den verschiedenen Treibstoffen größere Anforderungen (Feineinstellung, viele Einsatzgebiete: Lenkrad-, Kopfstütze, Seite-, Thorax-Inflator, etc...) abdecken. Die Feineinstellung kann auch durch wahlweise Kombinationen (Mengen­ verhältnis!) zwischen den Treibstoffsmengen und den Gas-(Flüssigkeit-)­ mengen erreicht werden. Die modulare Bauweise kann durch die Kombination zwischen Treibstoff + Gas und Treibstoff + Brennbare Flüssigkeit hergestellt werden.

Die Ausströmrichtung (radial oder axial) kann mittels einem bestimmten integrierten Diffusor (zwei Deckelvarianten) erzielt werden. Der Einsatz des Gassacks ist dadurch leichter und es werden keine Zusatzbauteile gebraucht.

Entgegen herkömmlicher Gasgeneratoren ist der Bedarf von Filtermaterialien (Sieb, Tresse, Maschengestrick, etc...) bei dem Gasgenerator der Erfindung deutlich geringer. Es braucht nur ein einfaches Sieb mit ein oder zwei Windungen eingesetzt werden. Die Herstellung ist dadurch günstig und die Umweltbelastung geringer; Erleichterung des Recyclings (wenige Teile, keine Anwendung von Metallfaser- oder Keramik-Vlies!).

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Beschreibungen der Ausführungsbeispiele.

Es zeigen:

• - Fig. 1: Schnittdarstellung der Rohrgasgeneratoren (3 Varianten) im Zusammenbau.
• - Fig. 2: Detailzeichnungen.
• - Fig. 3: Schnittdarstellung des Rohrgasgenerators im Betrieb.
• - Fig. 4: Ein Schnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 1

Der Rohrgasgenerator gemäß den Fig. 1 bis 4 besteht aus einem Brenn­ kammerrohr 1, einer Anzündeinheit 3, einer Düsenscheibe 6, einer Verdämmung 9, einem (Gas- oder) Flüssigkeitsbehälter 4, dichtgeschlossen mittels einer Membrane, einem Gleitlager 5, einer Filtereinheit 7 aus Tresse oder Sieb, einem Deckel 2, der mit einem spitzen Tauchrohr 10 verbunden ist. Die Bauteile haben zumeist rotationssymetrische Bauweise.

Die Bauteile des Rohrgasgenerators bestehen aus einem strukturierten Material, z. B. Leichtmetall Titan oder anderen metallischen oder nicht­ metallischen Stoffen, wie Kunststoffen, gegossen, geschwämmt mit Waben­ struktur oder anderer Struktur, mit Hohlräumen nach außen hin abgeschlossen, mit und ohne Faserverstärkung etc. und ist insbesondere im Spritzguß-, Druckguß- oder Fließpreßverfahren hergestellt.

Das Brennkammerrohr 1 hat im Innenraum eines Anfangs eine Geometrie von einem Anzündträger, der eine Anzündeinheit 3 mit einem O-Ring mittels Bördeln umschließt. Die Düsenscheibe 6 und die Verdämmung 9 trennen das Brennkammerrohr 1 in zwei Kammern: die Brennkammer A und die Mischkammer C.

Die Innenwand des Brennkammerrohres 1 kann mit Rippen in Längs­ richtung (Schnitt IV-IV) versehen werden, es erhöht sich dadurch die Festigkeit des Brennkammerrohres (Wandstärken bzw. Gewichtsminderung möglich!) und es entsteht eine zusätzliche Brennoberfläche für den Treibstoff; eine schnelle Verbrennung bzw. ein Druckaufbau kann in kurzer Zeit erreicht werden. Die Düsenscheibe 6 mit der Verdämmung 9 schließt die Kammer A mittels einer einfachen Verschraubung ab. Ein (Gas oder) Druckbehälter 4 mit eingeschweißter Membrane wird mit dem Gleitlager 5 aus einem weniger harten Werkstoff (Kupfer, Hartkunststoff, Teflon oder Pa, etc...) mit Preßsitz- Passung im Brennkammerrohr festeingepreßt. Die dadurch entstehende Festsitzverbindung zwischen der Brennkammer A und dem Gasbehälter 4 verhindert nicht nur das Eindringen von der Feuchtigkeit in die Brennkammer und der eingesetzte hygroskopische Treibstoff verliert dadurch nicht die Verbrennungseigenschaften. Eine Verdämmung in der Brennkammer wie bei den herkömmlichen Gasgeneratoren wird dadurch nicht mehr gebraucht. Der Inhalt des Behälters 4 kann entweder aus Flüssigkeit (Alkohol, brennbare Flüssigkeitsmischung, etc...) oder brennbaren Gasen sein und dient als Brennverstärker oder als Temperaturkühler des heißen Treibgases. Das Treibgas wird dadurch weniger aggressiv und sauberer.

Das spitze Tauchrohr 10, das durch Schweißen (einfache Verschraubung oder Preßsitz-Passung) mit dem Deckel verbunden ist, hat einen Hohlraum, der mit entweder senkrecht zur Generatorachse Bohrungen oder Bohrungen schräg zur Strömungsrichtung des Treibgases, bzw. zur Generatorachse versehen ist.

Die Filtereinheit 7 besteht aus Metalltresse oder einem Sieb (Filtermaterial) und dient als guter Filter, bevor das Treibgas in den Airbag gelangt. Der Deckel verschließt das Brennkammerrohr durch eine einzige normale Schweißung (Reib-, MIG-, Widerstand-Schweißen).

Der Innendruck des Generators ist vor Inbetriebnahme < 0,5 bar (drucklos!). Durch die Zündeinrichtungen 3 wird der Treibstoff 8 in der Brennkammer A bei geschlossenem Raum und stark ansteigendem Druck entzündet. Ist ein Brennkammerdruck < 200 bar erreicht, bei welchem die Treibstoffoberfläche bereits vollständig brennt, wird der Druckbehälter 4 durch den hohen Druck in Richtung des spitzen Tauchrohres 10 geschoben, der die Membrane durchdringt. Der Inhalt des Behälters 4 strömt durch die Bohrungen zuerst in den Hohlraum des Tauchrohres 10, dann auch durch die noch freien Bohrungen in den Mischraum C den heißen Treibgasen entgegen, so daß eine optimale Mischung des gemixten Gases je nach Bedarf (entweder zur Nachverbrennung oder zur Temperatursenkung!) erzielt werden kann.

Das heiße Gas strömt entlang dem Behälter 4 und gelangt in die Mischkammer C, wo das Mischen zwischen dem heißen Gas und dem Medium des Behälters 4 stattfindet und erzeugt dabei die gewünschte Reaktion: Nachverbrennen oder Kühlen des Treibgases. Die Schlacke und Salzpartikel scheiden sich aus dem heißen Gas aus, das Treibgas wird dadurch sauberer und die Belastung für den Sack und für die Umwelt geringer. Das saubere Gas kann durch Nachverbrennen des Gemischs eine verstärkte Leistung bekommen und strömt schließlich durch das Filter 7 in das passive Sicherheitssystem.

Claims (11)

1. Gasgenerator für passive Sicherheitssysteme in Kraftfahrzeugen, beste­ hend aus:

• 1. einem im wesentlichen zylindrischen, topfförmigen Gehäuse (1),
• 2. einem das Gehäuse (1) verschließenden Deckel (2),
• 3. wobei in dem Gehäuse (1) eine Brennkammer (A), bestehend aus einem Festtreibstoff (8) und einer Anzündeinheit (3), und ein Gas- oder/und Flüssigkeitsbehälter (4) angeordnet sind, und
• 4. wobei im Deckel (2) ein hohles, mehrere Öffnungen aufweisendes Tauchrohr (10) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. der im wesentlichen zylindrische Behälter (4) mittels Preßsitz im Gehäuse (1) in einer ersten Position gehalten wird, daß
• 2. das Tauchrohr (10) zum Durchstoßen des nach der Initiierung des heißes Hochdruckgas erzeugenden Festtreibstoffs (8) durch die Anzündeinheit (3) in eine zweite Position verschobenen Behälters (4) spitz ausgebildet ist, und daß
• 3. das Gehäuse (1) im Bereich der zweiten Position des Behälters (4) zur Bildung eines Ringspalts einen größeren Innendurchmesser aufweist, als der Außendurchmesser des Behälters (4),
• 4. so daß in der zweiten Position das im Behälter (4) gespeicherte Gas durch die Öffnungen des Tauchrohrs (10) in eine Mischkammer (C) gelangt, in der sich dieses Gas mit den heißen Verbrennungsgasen des Festtreibstoffs (8), die von der Brennkammer (A) über den Ringspalt in die Mischkammer (C) gelangen, mischt.

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Behälter (4) und dem Gehäuse (1) ein Gleitlager, welches aus einem weniger harten Werkstoff besteht, angeordnet ist und somit die Dichtigkeit gegen Feuchtigkeit gewährleistet.

3. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammerinnenwand mit Rippen versehen ist.

4. Gasgenerator nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (A) durch eine Düsenscheibe (6) begrenzt wird.

5. Gasgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenscheibe (6) in das Gehäuse (1) eingeschraubt ist und die Rippen als Endanschlag dienen.

6. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnungen aus dem Gasgenerator radial oder axial angeordnet sind.

7. Gasgenerator nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Ausströmöffnungen aus dem Gasgenerator ein Filter (7) angeordnet ist.

8. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (2) mit dem Gehäuse (1) kraftschlüssig verbunden ist.

9. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzündeinheit (3) in der Mitte des Gehäuseunterteils angeordnet ist und eine Verstärkerladung aufweist.

10. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Festtreibstoff (8) in Form von Tabletten, Ringen oder Preßlingen vorliegt.

11. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen des Tauchrohrs (10) senkrecht oder schräg zur Behälterachse angeordnet sind.