DE29813961U1

DE29813961U1 - Gasgenerator mit steuerbarer Flüssigkeitseinspritzung

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Publication number: DE29813961U1
Application number: DE29813961U
Authority: DE
Original assignee: TRW Airbag Systems GmbH
Current assignee: ZF Airbag Germany GmbH
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2008-08-05
Also published as: DE19913145A1; DE59905976D1

Description

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PATENTANWÄLTE Manzingerweg 7

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS D-81241 München

EUROPEANTRADEMARKATTORNEYS Tel. +49 89 89 69 80

4. August 1998

TRW Airbag Systems GmbH & Co. KG
Wernher-von-Braun-Straße 1
D-84544 Aschau am Inn

Unser Zeichen: T 8531 DE
KI/bra/ms
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Gasgenerator mit steuerbarer Flüssigkeitseinspritzung
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Die Erfindung betrifft einen Gasgenerator für ein Sicherheitssystem, insbesondere für ein Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem, mit einer treibstoffgefüllten Brennkammer, in der nach Zündung und Verbrennen des Treibstoffs ein Heißgas erzeugt wird, mit einer eine Flüssigkeit enthaltenen Flüssigkeitskammer und mit einer Mischkammer, in der Flüssigkeit und Heißgas gemischt werden.

Solche Gasgeneratoren sind bekannt. So offenbart die US 5,487,561 einen Flüssigkeitsgenerator, der zur Kühlung des erzeugten Heißgases eine Flüssigkeit einsetzt, die in einer die Brennkammer ringförmig umgebenden Kammer gespeichert ist. Wird nun der Zündkreis des Gasgenerators geschlossen, wird eine Luftkammer erhöhtem Druck ausgesetzt. Dies führt dazu, daß ein in ihr beweglich gelagertes Trennelement, was den flüssigen Treibstoff von der Luft in der Kammer trennt, verschoben wird. Durch den erhöhten Druck werden in dem Trennelement vorgesehene Öffnungen, die ansonsten dicht sind, frei, und der Treibstoff kann in der Luftkammer exotherm reagieren. Das erzeugte Heißgas kann dann durch die in dieser Kammer enthaltenen Öffnungen in eine Kühlkammer strömen und durch Flüssigkeitsverdunstung abgekühlt werden.

Die Kühlung des Heißgases ist deshalb erforderlich, weil das zu füllende Sicherheitssystem, insbesondere der Gassack, in Kontakt mit Fahrzeuginsassen gelangen kann. Um diese vor Verbrennungen zu schützen, muß die Temperatur auf ein verträgliches Maß abgekühlt werden.
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Die US 5,060,973 offenbart einen Gasgenerator, der eine

Speicherkammer, in der flüssiger Treibstoff gespeichert ist und eine Reaktionskammer aufweist, in der Heißgas erzeugt wird und durch vorgesehene Öffnungen den Gassack füllt. Dieser Generator verfügt allerdings über keinerlei Kühlungsmöglichkeiten.

Bei den bislang bekannten Gasgeneratoren erfolgt die Flüssigkeitseinspritzung unkontrolliert und nicht steuerbar, denn es wird stets die gesamte Flüssigkeit eingespritzt.

Als nachteilig und gefährlich wirkt es sich bei den bekannten Systemen ferner aus, wenn etwa dem Heißgas zu viel Flüssigkeit beigemischt wird. Durch die spezifische Viskosität, die Oberflächenspannung und die höhere Trägheit der Flüssigkeit gegenüber den gasförmigen EIementen des Gasgenerators können die Flüssigkeitströpfchen nicht so schnell wie das Gas beschleunigt werden. Das kann im schlimmsten Fall zu einer Verblockung der Öffnungen des Systems führen.

Eine optimale Füllung des Gassacks ist nur dann möglich, wenn ein perfekt temperiertes Gasgemisch in einer minimalen Zeitspanne im Millisekundenbereich in den Gassack strömt.

Zur Vermeidung dieser Nachteile stellt die vorliegende Erfindung einen Gasgenerator der eingangs genannten Art zur Verfügung, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er mindestens eine Steuervorrichtung aufweist, die das Mischungsverhältnis von Flüssigkeit und Heißgas in der Mischkammer steuert, so daß nicht, wie beim Stand der Technik zwangsläufig die gesamte Flüssigkeitsmenge eingespritzt wird.

Die Steuervorrichtung ist für den Ablauf und die Ausgestaltung des Einspritzprozesses verantwortlich. Sie kann durch ein oder mehrere Steuerventile ausgebildet sein, das/die über ein Gasleitrohr mit dem

Heißgas und dem in der Flüssigkeitskammer enthaltene Flüssigkeit in Eingriff steht/stehen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in der Flüssigkeitskammer ein Auspreßkolben angeordnet, der in der Kammer enthaltene Flüssigkeit von dem ebenfalls enthaltenen Gas trennt und der von der Steuervorrichtung angesteuert wird.

Vorteilhafterweise umfaßt die Steuervorrichtung eine externe Steuermöglichkeit, also eine, die unabhängig von aktuellen Verbrennungsverhältnissen, wie dem erzeugten Druck des Heißgases, arbeitet. Dies wird erfindungsgemäß durch einen Hubmagneten erreicht, der geeignet angesteuert werden kann, so daß - je nach Bedarf - mehr oder weniger Flüssigkeit eingespritzt wird. Alternativ dazu sind auch andere Steuerelemente möglich, wie ein Piezokristall oder ein Drehantrieb mit Gewindespindel.

Soll die Einspritzmengensteuerung ausschließlich aufgrund der py ro technischen Druckverhältnisse erfolgen, so wird die Steuervorrichtung in der Ausgestaltung eines Ventils abhängig vom Gasdruck vor der Ventilnadel getriggert. Proportional zum Öffnungszustand des Ventils ist der sich auf der dem Ventil benachbarten Seite des Auspreßkolbens einstellende Gasdruck und damit die Menge der eingespritzten Flüssigkeit. Dies erscheint dann sinnvoll, wenn etwa die Menge des Brennstoffs in der Brennstoff-Kammer und damit auch die Menge an generiertem Heißgas variiert, so daß bei verringerter Heißgasmenge auch weniger Flüssigkeit eingespritzt zu werden braucht und vice versa.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Steuervorrichtung allerdings eine Kombination der in den letzten beiden Absätzen dargestellten Möglichkeiten auf, so daß die Steuerung sowohl aufgrund der erzeugten Druckverhältnisse als auch extern erfolgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Steuervorrichtung die in die Mischkammer einströmende Flüssigkeitsmenge regelt. Dabei umfaßt die Steuervorrichtung zusätzlich einen oder mehrere Druckaufnehmer, die den Druck des

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erzeugten Heißgases erfassen und an eine, bevorzugterweise mikroelektronische Steuer- oder sogar Regeleinheit weiterleiten, die ihrerseits dann den Hub des Auspreßkolbens regelt.

Es gibt unterschiedlichste Rückhaltesysteme für Fahrzeuginsassen.

Sie unterscheiden sich nicht zuletzt nach ihrem Einbauort im Fahrzeug, der Art des verwendeten pyrotechnischen Treibmittels und dem angewandten Befüllungskonzept. Abhängig von diesen Parametern muß bei einem optimal ausgelegten System auch der Vermischungprozeß gesteuert werden, etwa hinsichtlich Menge der einzuspritzenden Flüssigkeit und hinsichtlich des Zeitverlaufs des Einspritzvorganges. Das wird durch die Erfindung möglich.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Gasgenerators; und
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Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht nur des rechten Endes des in Figur 1 gezeigten Gasgenerators, der in diesem Bereich modifiziert ist.

Der allgemein mit 10 bezeichnete Rohrgasgenerator ist in Figur 1 dargestellt. Er ist in dieser Ausführungsform als Flüssiggasgenerator ausgebildet mit einer im wesentlichen zylindrischen Form. Dabei umfaßt er vier Kammern, eine Brennkammer 12, eine Flüssigkeitskammer 14, eine Druckkammer 15 und eine Mischkammer 16.

Die Brennkammer 12 enthält neben dem pyrotechnischen Festtreibstoff 34 eine Anzündeinheit 11. Nach der Zündung des Festtreibstoffs 34 wird Heißgas erzeugt.

Der Gasgenerator 10 weist weiterhin ein zentrales Gasleitrohr 36 auf, das zur Führung eines Teiles des Heißgasstromes nach Zündung bestimmt ist. Das Gasleitrohr 36 mündet in eine Steuervorrichtung, die in dieser Ausgestaltung der Erfindung als Steuerventil 18 ausgebildet

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ist. Dieses hat eine Ventilnadel 20 und einen Ventilsitz 22, eine Feder 30 und einen Hubmagneten 32.

Die Flüssigkeitskammer 14 ist im wesentlichen von zylindrischer Gestalt und umschließt das Gasleitrohr 36. Die in der Flüssigkeitskammer 14 enthaltene Flüssigkeit wird von dem in die Druckkammer 15 gelangenden Heißgas durch einen Auspreßkolben 24 getrennt. Der Auspreßkolben 24 umfaßt vorzugsweise eine Abdichtung, die den Stoffaustausch zwischen Flüssigkeit in der Flüssigkeitskammer 14 und Heißgas in der Druckkammer 15 unmöglich machen soll. Die in der Flüssigkeitskammer 14 enthaltene Flüssigkeit kann neben einem reinen Kühlmittel auch eine brennbare Flüssigkeit sein.

Die Flüssigkeitskammer 14 wird von der Mischkammer 16 umgeben und ist mit ihr über Öffnungen 26 verbunden. Die Öffnungen 26 sind in der bevorzugten Ausführungsform nahe der Einströmöffnung 29 für Heißgas zwischen Brennkammer 12 und Mischkammer 16 angeordnet, damit ein maximaler Vermischungsgrad zwischen dem zu mischenden Heißgas und der Flüssigkeit erreicht werden kann. Radiale Auslaßöffnungen 28 zwischen der Mischkammer 16 und dem Gassack sind aus dem gleichen Grund möglichst weit entfernt von den Öffnungen 26, 29, genauer an dem den Öffnungen 26, 29 gegenüberliegenden axialen Ende der Mischkammer angeordnet.

Aus Zeichnung 1 ergibt sich ferner die Wirkungsweise des Gasgenerators 10, wobei sie den Zustand des Systems festhält, bei dem der Auspreßkolben 24 bereits ein Stück verfahren ist.

Das erzeugte Heißgas strömt teilweise nach Zündung des Gasgenerators 10 aus der Brennkammer 12 über das Gasleitrohr 36 und teilweise

über Einströmöffnungen 29 in die Mischkammer 16. Das Gasleitrohr 36 mündet in die Steuervorrichtung, die als Steuerventil 18 in Form eines Nadelventils ausgebildet ist. In einer alternativen Ausführung ist das Ventil als Schieberventil ausgebildet.
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Die Grundstellung des Ventils 18 wird durch die Vorspannung der Feder 30 bestimmt. Diese stützt sich auf ihrer innenliegenden, zentrumsnahen Seite gegen eine Wand ab und hält das Ventil 18 in ge-

öffnetem Zustand. Strömt nun Heißgas durch das Gasleitrohr 36 und auf die Ventilnadel 20, die topfförmig ist und einen einen Teil der Druckkammer 15 bildenden Ventilraum 19 begrenzt, so wird es als Druckgas in den Ventilraum 19 und über rückwärtige Öffnungen 21 in der Ventilnadel 20 in die Druckkammer 15 gelangen und den Auspreßkolben 24 antreiben.

Zusätzlich wird der Hub des Auspreßkolbens 24 durch den Ansteuerstrom für den Elektro-Hubmagneten 32 gesteuert. Der wirkt so auf die Ventilnadel 20, daß diese sich dem Ventilsitz 22 nähert und das Ventil 18 geschlossen wird (gezeigte Stellung). Durch geeignetes Ansteuern des Hubmagneten 32 kann also je nach aktuellem Bedarf mehr oder weniger Flüssigkeit in das stromaufwärtige Ende der Mischkammer über die Öffnungen 26, die bis zu einem bestimmten Druck durch eine Folie geschlossen sind, eingespritzt werden. Ein anderer Teil des Heißgases gelangt über die Öffnungen 29 in die Mischkammer und vermischt sich dort mit der nahe der Öffnung 29 eingespritzen Flüssigkeit auf dem Weg zu den Auslaßöffnungen 28.

Die Ansteuerung des Hubmagneten 32 kann erfindungsgemäß so erfolgen, daß der Hub des Auspreßkolbens 24 abhängig oder unabhängig vom Gasdruck des Heißgases ist.

Soll er davon abhängig sein, so wird der Magnet 32 nicht - oder nur den Gasdruck unterstützend - betätigt, und somit ist der Hub des Kolbens 24 proportional zum anliegenden Gasdruck. Wird viel Heißgas erzeugt, ist der Druck groß, das Ventil 18 weit geöffnet, und der Auspreßkolben 24 erzeugt seinerseits einen erhöhten Auspreßdruck auf die Flüssigkeit, so daß viel Flüssigkeit dem Heißgas zugeführt wird. Vice versa wird bei geringerem Heißgasdruck auch weniger Flüssigkeit eingespritzt.

Soll die Steuerung der Flüssigkeitseinspritzung nun unabhängig vom Heißgasdruck erfolgen, so kann durch Aktivierung des Hubmagneten 32 die heißgasgesteuerte Wirkung des Steuerventils 18 sogar aufgehoben werden. D. h., daß auch bei beispielsweise hohem Gasdruck das Ventil 18 nahezu geschlossen ist und erst sukzessive geöffnet wird (während etwa der Gasdruck schon sinken kann), so daß eine den Druckverhältnissen nahezu gegenläufige Steuerung erlangt wird. Mit dieser Ausführungsform besteht die Möglichkeit, die Steuerung der Flüssigkeits-

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einspritzung von dem Druck des Heißgases zu entkoppeln. Die Parameter, aufgrund derer die Steuervorrichtung dann gesteuert wird, können beispielsweise in der Größe des zu füllenden Gassacks, in der Anwendung oder dem Einbauort des Gasgenerators oder in der Art des pyrotechnisehen Befüllungskonzeptes liegen. Diese Funktionalität der Erfindung tritt insbesondere dann in den Vordergrund, wenn eine spezielle Faltung des Gassacks es notwendig macht, Mischgas aus der Mischkammer 16 erst sukzessive ansteigend in den Gassack einströmen zu lassen, um im Endeffekt eine schnellstmögliche Entfaltung zu erzielen.

Besonders vorteilhaft erweist es sich bei der erfindungsgemäßen Lösung, daß der Gasgenerator 10 nicht notwendigerweise immer die gesamte Menge an Flüssigkeit einspritzen muß, wie es bei den bislang bekannten Systemen der Fall ist. Dadurch wird die Flexibilität des Systems enorm gesteigert und eine modulartige Verwendung von Gasgenerator-Einheiten für verschiedene Einsätze möglich.

Um die Steuermöglichkeiten weiterhin zu erhöhen, ist es denkbar, ein oder mehrere Steuerventile 18 zusätzlich im Bereich zwischen der Brennkammer 12 und der Mischkammer 16 anzuordnen, daß die Menge der eingespritzten Flüssigkeit und die Menge des zugeführten Heißgases gesteuert wird.

In anderen Ausgestaltungen der Erfindung können auch mehrere Steuerventile 18 zu einer Steuervorrichtung zusammengefaßt sein, die an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Gasgenerators 10 angeordnet sein können.

In einer weiterentwickelten Ausführung der Erfindung ist die Steuervorrichtung so ausgebildet, daß sie mit weiteren Bestandteilen des Gasgenerators 10, wie mindestens einem Druckaufnehmer einen Regelkreislauf darstellt, das heißt, daß die Steuervorrichtung das Mischungsverhältnis zwischen Flüssigkeit und Heißgas regelt.

Die Zufuhr von Flüssigkeit in die Mischkammer kann während des Ausströmens von Heißgas auch gestoppt werden. Hierzu wird die Steuervorrichtung (18) entsprechend betätigt, und die Ventilnadel 20 drückt auf den Ventilsitz, wie es in Figur 2 gezeigt ist. Aufgrund der mit

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dem Einströmen von Heißgas in die Druckkammer verbundenen Ausdehnung der Wände der Druckkammer und der Kompression des Heißgases in der Druckkammer 15, zu der auch die Ventilkammer 19 gehört, kann es jedoch vorkommen, daß trotz geschlossenem Ventil noch ein weiteres und unerwünschtes Verschieben des Auspreßkolbens 24 erfolgt. Um dies zu verhindern, sind die in Figur 2 gezeigten und im folgenden noch näher erläuterten Vorkehrungen getroffen. Die obere Hälfte, oberhalb der Mittelachse A, zeigt eine erste Ausführungsform und die untere Hälfte eine zweite Ausführungsform.

Bei der oberen Ausführungsform erstreckt sich ein Ablaßkanal 51 von der Ventilkammer 19 zur Mischkammer 16. Die topfförmige Ventilnadel 20 hat in ihrer mantelseitigen Wand eine Öffnung, die den Ablaßkanal 51 mit definiert. In der in Figur 2 gezeigten geschlossenen Stellung des Ventils fluchtet der im Ventil vorhandene Abschnitt des Auslaßkanals mit dem in der Stirnwand vorgesehenen Abschnitt des Auslaßkanals. Damit steht die Mischkammer 16 mit dem Ventilraum 19 und damit auch mit dem Teil der Druckkammer 15, der links von der Ventilnadel 20 liegt, in Strömungsverbindung.

Soll die Zufuhr von Flüssigkeit gestoppt werden, so schließt das Ventil, und der noch vorhandene Überdruck in der Druckkammer 15 samt des Ventilraums 19 wird sich schnell abbauen. Somit stoppt die Bewegung des Auspreßkolbens 24 unmittelbar nach Schließen des Ventils 18.

Die untere Hälfte der Figur 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach der oberen Hälfte dahingehend, daß der Ablaßkanal 55 von dem Teil der Druckkammer 15 ausgeht, der nicht den Ventilraum 19 bildet. Der Ablaßkanal 55 ist lediglich eine kleine Öffnung in der die Druckkammer 15 von der Mischkammer begrenzende Umfangswandung. Über diesen, nicht verschließbaren Ablaßkanal 55 kann sich der Druck in der Druckkammer 15 nach Schließen des Ventils 18 schnell abbauen. Der Querschnitt des Ablaßkanals 55 ist jedoch so klein gewählt, daß er die Leistung des Heißgases beim gewollten Verschieben des Auspreßkolbens 14 kaum beeinflußt.

Claims

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Tel. +49 89 89 69 80 4. August 1998

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Schutzansprüche

1. Gasgenerator (10) für ein Sicherheitssystem, insbesondere für ein Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem, mit einer treibstoffgefüllten Brennkammer (12), in der nach Zündung und Verbrennen des Treibstoffs ein Heißgas erzeugt wird, mit einer eine Flüssigkeit enthaltenden Flüssigkeitskammer (14) und mit einer Mischkammer (16), in der Flüssigkeit und Heißgas gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator (10) mindestens eine Steuervorrichtung aufweist, die das Mischungsverhältnis von Flüssigkeit und Heißgas in der Mischkammer (16) steuert.
2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung durch mindestens ein Steuerventil (18) gebildet ist.
3. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung die in die Mischkammer (16) einströmende Flüssigkeitsmenge steuert.
4. Gasgenerator nach einen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckkammer (15) vorgesehen ist, die durch einen Auspreßkolben (24) von der Flüssigkeitskammer (14) getrennt ist.

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5. Gasgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung so ausgebildet ist, daß sie das Mischungsverhältnis unabhängig von der Stellung des Auspreßkolbens (24) steuert.
6. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verschiebung des Auspreßkolbens (24) Druckgas in die Druckkammer (15) eingeleitet wird und daß die Steuervorrichtung den Druck in der Druckkammer steuert.
7. Gasgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Heißgases das Druckgas bildet und dieser Teil über wenigstens eine Leitung in die Druckkammer (15) gelangt.
8. Gasgenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die .15 Steuervorrichtung die in die Druckkammer einströmende Druckgasmenge steuert.
9. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung durch ein zentrales Gasleitrohr (36) gebildet ist, durch das mindestens ein Teil des Heißgases aus der Brennkammer (12) nach Zündung zu der Steuervorrichtung strömt.
10. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein von der Druckkammer (15) ausgehender Ablaßkanal (51;

55) vorgesehen ist, über den in die Druckkammer (15) eingeleitetes Heißgas nach Stoppen der Zufuhr von weiterem Heißgas in eine Umgebung mit niedrigerem Druck ausströmen kann.
11. Gasgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (18) die in die Druckkammer (15) einströmende Heißgasmenge steuert, daß die Steuervorrichtung (18) auch den Ablaßkanal (51) öffnet und schließt und daß bei Sperren der Zufuhr des Heißgases in die Druckkammer (15) auch der Ablaßkanal (51) geschlossen ist.
12. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Flüssigkeitskammer (14) und der

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Mischkammer (16), im Bereich von in die Mischkammer (16) mündenden Einströmöffnungen (29) für Heißgas mindestens eine Öffnung (26) vorgesehen ist.
13. Gasgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (16) mindestens eine Auslaßöffnung (28) aufweist, die den Innenraum der Mischkammer (16) mit demjenigen des zu füllenden Rückhaltesystems verbindet, daß die Mischkammer eine langgestreckte Ringkammer ist, welche die Flüssigkeitskammer (14) umgibt, und daß die Auslaßöffnung (28) im Bereich des der Öffnung (26) zwischen Mischkammer (16) und Flüssigkeitskammer (14) entgegengesetzten axialen Endes der Ringkammer angeordnet ist.
14. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung mindestens eine Feder (30) und einen Hubmagneten (32) umfaßt.
15. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Kühlmittel ist.
16. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine brennbare Flüssigkeit ist.