DE4108857C1 - Cylindrical gas generator for inflating gas sack of impact protection unit - has combustion chamber with housing, propellant, ignition device and filter unit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen zylinderförmigen Gasgenerator zum Aufblasen des Gassackes einer Aufprallschutzeinrichtung für einen oder mehrere Insassen eines Fahrzeuges, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei praktisch allen gängigen Treibsatztypen für Gasgeneratoren gibt es eine Abhängigkeit der Abbrandgeschwindigkeit von der Außentemperatur und zwar in der Weise, daß die Abbrandgeschwindigkeit mit zunehmender Außentemperatur ansteigt. Unter der Voraussetzung fester, vorgegebener Geometrien in der Brennkammer sowie in den Strömungskanälen hat dies zur Folge, daß die Drücke und somit die mechanische Belastung des Gasgenerators mit zunehmer Außentemperatur ansteigen. Dabei sinkt die Abbrandzeit, was wiederum zu einem schnelleren Aufblasen des Gassackes, verbunden mit einer höheren Belastung dieses Schutzelementes sowie mit einer zunehmenden Schalldruckbelastung der Insassen, führt.

Somit wird deutlich, daß hohe Außentemperaturen kritischer sind als tiefe, insbesondere weil die Gefahr des Fragmentierens des Gasgenerators bzw. einzelner seiner Teile besteht.

Bei tiefen Temperaturen hat man ggf. das Problem, daß der Gassack nicht schnell genug aufgeblasen wird.

Aus der DE-PS 31 47 780 ist ein rohrförmiger Beifahrer-Gasgenerator bekannt, welcher mit einer ventilartigen Druckentlastungsvorrichtung versehen ist, um die Temperaturabhängigkeit der Aufblasgeschwindigkeit und des Aufblasdruckes zu vermindern. Dabei ist ein mit zunehmender Temperatur leichter verformbares, elastisches Konusteil aus Kunststoff vorgesehen, welches bei hoher Temperatur und hohem Druck einen zusätzlichen Strömungsweg freigibt. Dieser Strömungsweg führt von einer dem Filter nachgeschalteten Kammer aus am Gassack vorbei ins Freie. Auf diese Weise wird zwar das Aufblasverhalten verbessert und auch der Gassack entlastet, eine Entlastung des Gasgenerators selbst, d. h. eine Verringerung der Gefahr des Fragmentierens, ist damit aber nicht gegeben.

Aus der DE-AS 25 18 460 ist eine Lösung für Fahrer- und Beifahrer-Gasgeneratoren bekannt, bei der zur Regulierung und Begrenzung des Brennkammerdruckes die Brennkammer selbst in einem gegen die Kraft eines elastisch bzw. plastisch verformbaren Elementes verschiebbaren Behälter angeordnet ist. Unter Zusammenwirkung der offenen Behälterseite mit einer festen, gegenüberliegenden Wand reguliert so der Brennkammerdruck selbst den Brennkammerausströmungsquerschnitt. Eine solche Lösung ist in der Praxis jedoch äußerst problematisch. Die Führung des verschiebbaren Behälters sollte einerseits möglichst genau sein, damit kein Verkanten auftreten kann. Andererseits wächst mit zunehmender Genauigkeit die Gefahr des Verklemmens - im Betrieb - durch ungleichmäßige Verformung des Behälters, verschiedene Wärmedehnung von Behälter und Führung sowie - vor Inbetriebnahme - durch Korrosion, Passungsrost etc. Aus Platzgründen ist der Verschiebeweg relativ eng begrenzt, so daß auch die Austrittsquerschnittsveränderung begrenzt ist. Außerdem bleibt der Strömungswiderstand der nachgeschalteten Kühl- und Filtereinrichtung immer gleich, so daß bei sehr hohen Außentemperaturen ein starker Druckanstieg im Gasgenerator zu erwarten ist.

Aufgrund der unzuverlässigen Mechanik sowie der Strömungsausführung im Bereich der Kühl- und Filtereinrichtung ist die beschriebene Lösung sogar besonders gefährlich im Hinblick auf Fragmentieren.

Eine besonders schwere, seitens des Gesetzgebers vorgeschriebene Prüfung für Gasgeneratoren ist der "bonfire-Test", bei welchem der Gasgenerator auf offenem Holzfeuer bis zur Selbstentzündung erhitzt und abgebrannt wird. Dies dient zur Simulation des Gasgeneratorverhaltens bei einem Fahrzeugbrand, wobei auch hier kein Fragmentieren auftreten darf. Dabei ist zu beachten, daß die hohen Zündungstemperaturen von ca. 350-450°C die Festigkeit der vielfach für Gasgeneratorteile verwendeten Aluminiumlegierungen bereits drastisch reduzieren.

Demgegenüber testen die Anwender von Gasgeneratoren, d. h. die Modul- und Fahrzeughersteller, nur bei einer Temperatur von -30°C, bei Raumtemperatur sowie bei einer Temperatur von +85°C. Bei diesen Temperaturen ist die Forderung des Nicht-Fragmentierens ohne allzu großen Aufwand zu erfüllen, wobei hier allerdings auch die Kühl- und Filterfunktionen geprüft werden.

Angesichts der genannten Prüfungsanordnungen sowie angesichts der Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen zylinderförmigen Gasgenerator mit mindestens einer im wesentlichen außerhalb seines Gehäuses angeordneten Filtereinrichtung sowie mit einer Einrichtung zur Freigabe mindestens eines aus ihm herausführenden Strömungsweges zur Druckentlastung zu schaffen, welcher bei Außentemperaturen von etwa -30°C bis etwa +100°C voll funktionsfähig ist, insbesondere hinsichtlich der Filterung und Kühlung der Brenngase, und welcher beim "bonfire-test" mit Sicherheit ohne jegliche Fragmentierung abbrennt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im Hauptanspruch gelöst.

Die Erfindung trägt der Tatsache Rechnung, daß in der Regel weniger die Brennkammer und deren Austrittsbereich als vielmehr das Filter selbst mechanisch und strömungstechnisch (Druckverluste) besonders kritisch ist, insbesondere mit zunehmender Brenndauer und Partikelbelastung. Dies trifft umso mehr zu, wenn - wie im vorliegenden Fall - aus kostenorientierten und fertigungstechnischen Gründen ein im wesentlichen selbsttragendes Filter ohne stützendes Filtergehäuse verwendet wird.

Deshalb ist erfindungsgemäß im Bereich jeder Filtereinrichtung stromabwärts des Filters mindestens ein durch elastische bzw. plastische Verformung wenigstens eines Deformationselementes mittelbar oder unmittelbar erzeugbarer bzw. freigebbarer, am Filter vorbeiführender Druckentlastungsquerschnitt vorhanden. Das bzw. die Deformationselemente sind so bemessen und vorgespannt, daß sie sich - ausgehend vom eingebauten Zustand - erst bei Drücken verformen, welche bei Außentemperaturen von deutlich über +100°C auftreten, z. B. beim "bonfire-Test". Hierbei wird zumindest ein Teil der Brenngase ungefiltert aus dem Gasgenerator geleitet, was jedoch speziell beim "bonfire-Test" ohne Belang ist. Bei den erwähnten Anwender-Tests treten die erfindungsgemäßen Schutzelemente nicht in Funktion, so daß keinerlei Einschränkung der Filter- und Kühlwirkung gegeben ist.

Die Unteransprüche 2 bis 5 haben bevorzugte Ausgestaltungen des Gasgenerators nach Anspruch 1 zum Gegenstand, wobei die Versionen nach Anspruch 2 und 3 alternativ zueinander sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen noch eingehender erläutert. Dabei zeigt in vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Gasgenerator mit axial verschiebbarem Filter,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch das brennkammerabgewandte Ende eines Gasgenerators mit einem radial verformbaren Deformationselement, und

Fig. 3 einen Querschnitt gemäß dem Verlauf A-A in Fig. 2.

Das Gehäuse 3 des nur teilweise dargestellten Gasgenerators 1 umschließt die Brennkammer 4 mit dem Treibsatz und dem Zünder (beide nicht dargestellt), wobei die Brennkammerstirnwand 5 mit Gasaustrittsöffnungen 6 für die erzeugten Brenngase versehen ist. Da es sich um eine Gasgeneratorausführung ohne Filtergehäuse handelt, endet das Gehäuse 3 in einem mit der Brennkammerstirnwand 5 verbundenen Tragzapfen 7 für die Filtereinrichtung. Die Filtereinrichtung mit Aufhängung kann - wie dargestellt - einseitig oder auch symmetrisch beiderseits der Brennkammer vorhanden sein.

Der Gasumlenkring 10 dient dazu, die aus der Brennkammerstirnwand 5 austretenden Gase zunächst radial nach innen vom Filter 11 weg zu leiten, um Kurzschlußstörungen durch das brennkammerseitige Filterende zu vermeiden. Weiterhin nimmt der Gasumlenkring 10 im Ruhezustand sowie im Betrieb mit normalen Drücken das brennkammerseitige Filterende dichtend und abstützend auf (siehe Fig. 1 unten).

Das zumindest weitgehend selbsttragend ausgeführte, hohlzylindrische Filter 11 bildet mit dem Gasteiler 13 eine auf dem Tragzapfen 7 axial verschiebbare Einheit. Der im Durchmesser mehrfach gestufte Gasteiler 13 hat dabei mehrere Funktionen. Er verbessert die Strömungsausführung im Sinne einer gleichmäßigeren Filterbeaufschlagung über die Filterlänge, er bildet die der Brennkammerstirnwand gegenüberliegende, dichte Wand des Strömungskanales und er trägt das brennkammerabgewandte Ende des Filters 11. Weiterhin bildet der Gasteiler 13 im Bereich seines kleinsten Durchmessers mit dem Tragzapfen 7 eine zumindest weitgehend gasdichte Gleitführung, wobei ggf. zusätzliche Dichtelemente, wie O-Ringe etc., vorhanden sein können (nicht dargestellt).

Die Darstellung unterhalb der Mittellinie zeigt den üblichen Betriebsfall mit normalen Gasdrücken, bei welchem der Brenngasstrom in seiner Gesamtheit durch das Filter 11 geleitet wird. Unter diesen Bedingungen wird die Einheit aus Filter 11 und Gasteiler 13 über ein axial vorgespanntes Deformationselement, hier ein Wellrohr 18, in einer brennkammerzugewandten Stellung gehalten, wobei der Gasumlenkring 10 den axialen Anschlag und die radiale Führung für das brennkammerseitige Filterende bildet. Die Vorspannung des Wellrohres 18 erfolgt mittels einer Mutter 9, welche mit einem Gewinde 8 auf dem Tragzapfen 7 zusammenwirkt. Anstelle des Wellrohres 18 sind natürlich auch andere Deformationselemente verwendbar, wie z. B. Tellerfedern, Schraubenfedern oder nichtmetallische, gummielastische Formkörper. Das Wellrohr 18 hat jedoch u. a. den Vorteil, daß es als zusätzliche Gasabdichtung wirkt.

Die unterhalb der Mittellinie gezeigte Stellung von Filter 11 und Gasteiler 13 ist - abgesehen vom normalen Betriebsfall - auch im Ruhezustand, d. h. vor Inbetriebnahme, sowie unter den Bedingungen der erwähnten Anwendertests bei Temperaturen von -30°C, +85°C und bei Raumtemperatur gegeben. Anders ausgedrückt bewirkt das vorgespannte Deformationselement unter diesen Bedingungen eine quasi-starre Verbindung von Gasteiler 13 und Tragzapfen 7.

Die in der Figur ohne Bezugszeichen gezeigten Pfeile geben schematisch den etwaigen Strömungsverlauf im Betriebsfall wieder.

Somit ist im normalen Betriebsfall sowie unter den genannten Testbedingungen sichergestellt, daß der gesamte Brenngasstrom gefiltert und gekühlt in den Gassack eintritt.

Oberhalb der Mittellinie ist in Fig. 1 der Fall dargestellt, daß aufgrund extrem hoher Außentemperaturen der Treibsatz mit großer Abbrandgeschwindigkeit unter Erzeugung extremer Gasdrücke abbrennt. Dies ist beim "bonfire-Test" gegeben, bei welchem - wie erwähnt - der Gasgenerator auf offenem Holzfeuer abgebrannt und auf mögliche Fragmentierungserscheinungen hin geprüft wird. Letztlich dient dieser Test der Simulation der Verhältnisse bei einem Fahrzeugbrand, wobei in der Nähe befindliche Personen nicht durch infolge Fragmentierens geschoßartig beschleunigte Gasgeneratorteile verletzt werden dürfen. Es ist einleuchtend, daß die Filter- und Kühlwirkung der Filtereinrichtung in diesem Fall praktisch keine Rolle mehr spielt, da erstens davon auszugehen ist, daß der Gassack durch die hohen Umgebungstemperaturen zum Zeitpunkt der Selbstzündung des Treibsatzes bereits zerstört ist, und da zweitens zu diesem Zeitpunkt noch im Fahrzeug befindliche Personen aller Voraussicht nach bereits tot oder tödlich verletzt sind. Somit geht es nur noch um die Sicherheit außerhalb des Fahrzeuges befindlicher Personen, wie Helfer oder geborgener Fahrzeuginsassen.

Die Erfindung trägt diesen Gegebenheiten Rechnung, indem sie bei extremen Drücken im Bereich der Filtereinrichtung einen Teil des Gasstromes ungefiltert und ungekühlt am Filter vorbei in den Gassack bzw. ins Freie führt. Hierdurch werden die Gasdrücke und damit die mechanische Belastung kritischer Bauteile, insbesondere des Filters selbst, so stark reduziert, daß praktisch keine Fragmentierungsgefahr mehr besteht.

Wie in Fig. 1 oberhalb der Mittellinie gezeigt, ist das Filter 11 zusammen mit dem Gasteiler 13 um den Verschiebeweg s von der Brennkammer 4 weg nach außen verschoben, wobei zwischen dem Gasumlenkring 10 bzw. dem Gehäuse 3 und dem brennkammerseitigen Ende des Filters 11 der gewünschte Druckentlastungsquerschnitt 16 freigegeben wird. Das Wellrohr 18 ist bis auf eine minimale Restlänge elastisch bzw. plastisch zusammengeschoben und begrenzt so zusammen mit der Mutter 9 den maximalen Verschiebeweg.

Generelle ist zu sagen, daß eine plastische Verformung oder sogar eine Zerstörung (Bruch, Abscheren etc.) des Deformationselementes in Kauf genommen werden kann, falls die Anschlagfunktion erhalten bleibt, da der Vorgang der Querschnittsfreigabe (Druckentlastung) in der Regel nicht reversibel sein muß. Eine plastische Verformung hat eventuell auch den Vorteil, daß die bewegten Teile weniger zu Schwingungen, hier zu Längsschwingungen, neigen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine gegenüber Fig. 1 konstruktiv unterschiedliche Ausführung der Erfindung, wobei der Einfachheit halber nur der relevante Bereich des Gasgenerators 2, nämlich das brennkammerferne Ende, dargestellt ist.

Filter 12 und Gasteiler 14 sind hier fest mit dem Gehäuse des Gasgenerators 2 verbunden, d. h. nicht axial verschiebbar. Stattdessen ist der im Durchmesser größte, radial innerhalb des Filters 12 liegende, zylindrische Bereich 15 des Gasteilers 14 mit bleibend eingeformten, gleichmäßig über seinen Umfang verteilten Druckentlastungsquerschnitten 17 versehen, welche bei besonders hohen Gasdrücken im Filterbereich freigegeben werden. Die Ventilfunktion übernimmt dabei ein radial von innen unter Vorspannung anliegender Deformationsring 19.

In Anlehnung an Fig. 1 ist auch in den Fig. 2 und 3 die Darstellung so gewählt, daß oberhalb der Mittellinie der Zustand mit Druckentlastung, unterhalb der Mittellinie der Normalzustand gezeigt ist. Wie in Fig. 3 zu erkennen, besteht der Deformationsring 19 aus teilzylindrischen und aus nach innen gewellten Bereichen, wobei erstere für die Abdichtung bzw. Freigabe der Druckentlastungsquerschnitte 17, letztere für die radiale Verformbarkeit erforderlich sind. Die teilzylindrischen Bereiche sind dem Innendurchmesser D des zylindrischen Bereiches 15 des Gasteilers 14 angepaßt. Anstelle der gezeigten, einfachen Wellung zwischen den teilzylindrischen Bereichen kann auch eine mehrfache Wellung zur Anwendung kommen. Es wird auch sinnvoll sein, eine Sicherung gegen axiales Herauswandern des Deformationsringes 19 aus dem Gasteiler 14 vorzusehen (nicht gezeigt).

Überhaupt kann das Deformationselement aus mehreren Teilen mit funktionaler Trennung von Abdichtung und Vorspannung zusammengesetzt sein, z. B. aus Ventilelementen und Federn.

Allen möglichen Ausführungen ist das Prinzip gemeinsam, daß durch die Verformung mindestens eines vorgespannten Deformationselementes direkt oder indirekt mindestens ein am Filter vorbeiführender Druckentlastungsquerschnitt erzeugt bzw. freigegeben wird.

Claims (5)

1. Zylinderförmiger Gasgenerator zum Aufblasen des Gassackes einer Aufprallschutzeinrichtung für einen oder mehrere Insassen eines Fahrzeuges, insbesondere für den oder die Beifahrer eines Kraftfahrzeuges, mit einem eine Brennkammer mit Treibsatz umschließenden Gehäuse, mit einem Zünder für den Treibsatz, mit mindestens einer in axialer Verlängerung der Brennkammer an dem Gehäuse befestigten Filtereinrichtung, welche über Gasaustrittsöffnungen im Gehäuse mit der Brennkammer verbunden oder verbindbar ist und wenigstens ein hohlzylindrisches, von den Brenngasen vor Austritt in den Gassack im wesentlichen radial durchströmtes Filter umfaßt, sowie mit einer Einrichtung zur Freigabe mindestens eines aus dem Gasgenerator herausführenden Strömungsweges im Falle des Abbrandes mit hohem Gasdruck bei hohen Außentemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Gasaustrittsöffnungen (6) der Brennkammer (4) im Bereich jeder Filtereinrichtung (11 bzw. 12) mindestens ein durch Relativbewegung aneinandergrenzender Bauteile (10 und 11 bzw. 15 und 19) erzeugbarer am Filter (11 bzw. 12) vorbeiführender Druckentlastungsquerschnitt (16 bzw. 17) sowie mindestens ein elastisch und/oder plastisch verformbares Deformationselement (18 bzw. 19) zur mittelbaren oder unmittelbaren Freigabe des Druckentlastungsquerschnittes (16 bzw. 17) vorhanden sind.

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, mit mindestens einer mit Gasaustrittsöffnungen versehenen Brennkammerstirnwand, mit einem die Brenngase zur Mitte hin konzentrierenden, das brennkammerseitige Ende des Filters aufnehmenden Gasumlenkring sowie mit einem gasdichten im wesentlichen rotationssymmetrischen, mit dem brennkammerabgewandten Ende des Filters verbundenen und an der Brennkammerstirnwand abgestützten Gasteiler, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasteiler (13) auf einer mit der Brennkammerstirnwand (5) verbundenen, mittigen Führung (Tragzapfen 7) gegen die Kraft eines vorgespannten, axial verformbaren Deformationselementes (18) axial verschiebbar und gasdicht gelagert ist, und daß der maximale Verschiebeweg (s) des Gasteilers (13) und des mit diesem verbundenen Filters (11) so groß ist, daß bei hohem Gasdruck zwischen dem Gasumlenkring (10) und der brennkammerseitigen Stirnfläche des Filters (11) der gewünschten Druckentlastungsquerschnitt (16) vorhanden ist.

3. Gasgenerator nach Anspruch 1, mit mindestens einer mit Gasaustrittsöffnungen versehenen Brennkammerstirnwand sowie mit einem gasdichten, im wesentlichen rotationssymmetrischen, im Durchmesser mehrfach gestuften, das brennkammerabgewandte Ende des Filters tragenden und an der Brennkammerstirnwand abgestützten Gasteiler, dadurch gekennzeichnet, daß ein brennkammerferner, mit radialem Abstand innerhalb des Filters (12) liegender, zylindrischer Bereich (15) des Gasteilers (14) mit mindestens zwei gleichmäßig über seinen Umfang verteilten, radial ausgerichteten Druckentlastungsquerschnitten (17) versehen ist, und daß ein vorgespanntes, zumindest radial verformbares Deformationselement (19) im drucklosen Zustand bzw. bei normalem Gasdruck radial von innen her dichtend an den Druckentlastungsquerschnitten (17) anliegt, bei hohem Gasdruck jedoch in der Weise verformt ist, daß Brenngase zwischen dem Deformationselement (19) und dem Gasteiler (14) entweichen können.

4. Gasgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das axial verformbare Deformationselement als Wellrohr (18) ausgeführt ist.

5. Gasgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zumindest radial verformbare Deformationselement als Deformationsring (19) mit im eingebauten Zustand teilzylindrischen, auf demselben Durchmesser (D) liegenden Bereichen sowie mit zwischen diesen angeordneten, innerhalb des genannten Durchmessers (D) liegenden, gewellten Bereichen ausgeführt ist, wobei die Anzahl der teilzylindrischen und der gewellten Bereiche jeweils der Anzahl der Druckentlastungsquerschnitte (17) im Gasteiler (14) entspricht.