DE10033324A1 - Mehrstufiger Gasgenerator, insbesondere für Kfz-Airbagsysteme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Gasgenerator, insbesondere für KFZ-Airbagsysteme, mit einem Gasbehälter (5, 102), in welchem ein Vorratsgas enthalten und/oder in welchem Gas erzeugbar und/oder welchem Gas zuführbar ist, wobei der Gasbehälter (5) mehrere mittels ansteuerbarer Öffnungsvorrichtungen (9, 11, 27; 9', 11', 27') öffenbare Auslassöffnungen (19, 19', 104) aufweist, und wobei die Auslassöffnungen (19, 19', 104) hinsichtlich ihrer jeweils einzelnen Querschnitte und hinsichtlich der Gesamtquerschnittsfläche strömungsbestimmend für den Massenstrom des Gases ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Gasgenerator, insbesondere für Kfz- Airbagsysteme, bei dem in einem Gasbehälter gespeichertes und/oder darin er­ zeugtes Gas aus mehreren Auslassöffnungen des Gasbehälters austreten kann und dann beispielsweise zum Befüllen eines Gassacks eines Kfz-Airbagsystems dient. Aus der DE 196 54 315 A1 ist ein Hybrid-Gasgenerator zum Aufblasen von Airbags bekannt, der zwei Brennkammern aufweist, in denen jeweils eine Treibladung angeordnet ist. Die Brennkammern stehen mit einer Speicherkam­ mer in Verbindung, welche mit einem unter einem bestimmten Druck stehenden Vorratsgas gefüllt ist. Die Speicherkammer weist eine mittels eines Schließele­ ments verschlossene Auslassöffnung auf, wobei das Schließelement mittels eines stangenartigen Betätigungselements aufgestoßen wird, wenn die erste Treibla­ dung aktiviert wird. Hierzu ist das stangenartige Betätigungselement mit seinem rückwärtigen Endbereich vor der Verbindungsöffnung der Brennkammer ange­ ordnet, so dass dieser rückwärtige Bereich nach dem Aktivieren der Treibladung vom Druck des in der Brennkammer erzeugten heißen Gases beaufschlagt wird. Das Betätigungselement wird hierdurch bedrückt, so dass es mit seinem vorderen Ende das die Auslassöffnung der Speicherkammer verschließende Schließele­ ment aufstößt. Die zweite Treibladung des Hybrid-Gasgenerators nach der DE 196 54 315 A1 wird zeitlich verzögert angezündet, so dass der zeitliche Verlauf des Druckaufbaus entsprechenden Vorgaben angepasst werden kann.

Nach der technischen Lehre dieses Standes der Technik ist es ebenfalls möglich, verschiedenartige Druckaufbaucharakteristiken durch die gezielte Verteilung der Treibladungen, durch die Steuerung der Anzündvorgänge und durch andere kon­ struktive Modifizierungen, wie beispielsweise die Bemessung des Querschnitts der Ausströmöffnungen der Brennkammern in den Flaschenteil bzw. den Gasbe­ hälter zu realisieren.

In einer Ausführungsform des Hybrid-Gasgenerators gemäß der DE 196 54 315 A1 ist die Verwendung von zwei unterschiedlich dimensionierten Treibladungen dargestellt, die jeweils ein Betätigungselement für das Durchstoßen einer Memb­ ran antreiben, welche jeweils eine von zwei Auslassöffnungen der Speicher­ kammer verschließen. Auch bei dieser Ausführungsform werden die Treibladun­ gen zeitlich verzögert gezündet, wobei durch die jeweils zuletzt gezündete Treibladung das Gasgemisch zusätzlich aufgeheizt wird.

Für sämtliche Ausführungsformen des Hybrid-Gasgenerators gemäß der DE 196 54 315 A1 ist dem Speicherbehälter eine Diffusorkammer nachgeschaltet, in welche die Auslassöffnungen der Speicherkammer münden. Die Diffusorkammer weist radiale Öffnungen für das Austreten des Gases auf, wobei durch das Um­ lenken des axialen Gasstroms in mehrere radial austretende Gasströme eine Rückstoßfreiheit des Gasgenerators erreicht wird. Vor den Ausströmöffnungen der Diffusorkammer sind Filter angeordnet, die Feststoffpartikel der Treibladung bis zur vollständigen Verbrennung zurückhalten. Nähere Einzelheiten, insbeson­ dere betreffend die Dimensionierung der Öffnungsquerschnitte der Auslassöff­ nungen des Speicherbehälters bzw. der Ausströmöffnungen des Diffusors lassen sich der DE 196 54 315 A1 nicht entnehmen.

Mit dem Hybrid-Gasgenerator gemäß der DE 196 54 315 A1 lässt sich zwar ein vorgegebener zeitlicher Verlauf des Gasdrucks besser und einfacher realisieren, als dies mit einem einstufigen Gasgenerator möglich wäre. Nachteilig bei einem derartigen mehrstufigen Gasgenerator ist jedoch der hohe Entwicklungsaufwand, insbesondere Simulationsaufwand, bis der Gasgenerator einen vorgegebenen zeitlichen Druckverlauf innerhalb zulässiger Toleranzen einhält. Ein weiterer wesentlicher Nachteil sind seine hohen Fertigungskosten, die insbesondere durch die für die Ventilbetätigung erforderlichen Teile verursacht werden.

Zudem lässt sich mit einem Gasgenerator nach der DE 196 54 315 A1 zwar ein bestimmter zeitlicher Verlauf des Drucks des aus dem Diffusor austretenden Gases erreichen, nicht jedoch die zeitliche und räumliche Charakteristik des Drucks des austretenden Gases und damit das Aufblasverhalten eines Airbags. Beispielsweise müssen bestimmte Airbags infolge ihrer vorgegebenen Form eher keulenförmig aufgeblasen werden (z. B. Window-Bags), andere dagegen eher ballonartig (z. B. Lenkrad-Bags). Unter Umständen kann es auch erforderlich sein, ein und denselben Airbag situationsabhängig entweder keulenförmig oder ballonartig aufzublasen. Dies ist mit bisher bekannten Gasgeneratoren nicht vari­ abel möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Gasgenerator, insbeson­ dere für Kfz-Airbagsysteme, zu schaffen, der einfach unter Berücksichtigung von Vorgaben für einen zeitlichen Druckverlauf zu entwickeln ist und der hinsicht­ lich seiner Aufblascharakteristik einfach an vorgegebene Erfordernisse anpassbar und flexibel einsetzbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei bekannten mehrstufigen Gasgeneratoren, so auch bei dem Gasgenerator nach der DE 196 54 315 A1, die Auslassöffnungen des Gasbehälters lediglich die Funktion eines EIN/AUS- Ventils ausüben, wobei die Aufblascharakteristik des Gasgenerators, die durch den zeit- und ortsabhängigen Verlauf des ausgestoßenen Gas-Massenstroms bestimmt ist, wesentlich durch Ausströmöffnungen von dem Gasbehälter nachge­ schalteten Komponenten, beispielsweise Diffusoren, beeinflusst werden. Bei­ spielsweise ist der zeitliche Druckverlauf des Gases, das von einem Gasgenerator gemäß der DE 196 54 315 A1 ausgestoßen wird, wesentlich durch die Ausström­ öffnungen des Diffusors und die davor angeordneten Filter bestimmt. Zum einen ist der Querschnitt der Ausströmöffnungen des Diffusors relativ klein gegenüber dem Querschnitt der Auslassöffnungen der Speicherkammer ausgebildet und zum anderen verursachen die Filter einen wesentlichen Druckabfall.

Der mehrstufige Gasgenerator nach der Erfindung umfasst daher einen Gasbe­ hälter, in welchem ein Vorratsgas enthalten und/oder in welchem Gas erzeugbar und/oder welchem Gas zuführbar ist, wobei der Gasbehälter mehrere mittels ansteuerbarer Öffnungsvorrichtungen öffenbare Auslassöffnungen aufweist und wobei die Auslassöffnungen hinsichtlich ihrer jeweils einzelnen Querschnitte und hinsichtlich der Gesamtquerschnittsfläche bewusst strömungsbestimmend für den Massenstrom des Gases ausgebildet sind. Die Auslassöffnungen müssen also nicht nur, wie bei bekannten Gasgeneratoren, eine "AUF/ZU"- Ventilfunktion erfüllen.

Sind dem Gasbehälter weitere Komponenten nachgeschaltet, beispielsweise ein Führungsrohr für das Zuführen des Gasstroms an einen entfernteren Ort oder ein Diffusor, so muss der Raum der nachgeschalteten Komponenten, in welchen die Auslassöffnungen des Gasbehälters münden, und die Ausströmöffnungen der nachgeschalteten Komponeten demnach so ausgebildet sein, dass die minimale Gesamtquerschnittsfläche der Ausströmöffnungen größer ist als die Gesamtquer­ schnittsfläche der strömungsbestimmenden Auslassöffnungen des Gasbehälters. Vorzugsweise ist die Gesamtquerschnittsfläche der Ausströmöffnungen der einen oder mehreren nachgeschalteten Komponenten 20% (oder mehr) größer als die Gesamtquerschnittsfläche der strömungsbestimmenden Auslassöffnungen des Gasbehälters.

Hierdurch wird erreicht, dass sich der zeitliche und/oder örtliche Massenstrom (und damit der Druckverlauf) des Gases innerhalb und außerhalb des Gasgene­ rators ohne großen Aufwand rechnergestützt nach entsprechenden Vorgaben, beispielsweise eines Auftraggebers, simulieren lässt, da die dem Gasbehälter nachgeschalteten Komponenten kaum Rückwirkungen erzeugen. Das Aufblas­ verhalten des Gasgenerators, d. h. der zeit- und ortsabhängige Massenstrom (und damit der Druck) kann an bestimmte Vorgaben relativ einfach dadurch angepasst werden, dass die Auslassöffnungen hinsichtlich ihres Querschnitts und gegebe­ nenfalls hinsichtlich der Querschnittsänderung in Richtung des austretenden Gasstroms entsprechend dimensioniert werden. Selbstverständlich sind dabei auch noch andere Parameter zu berücksichtigen, wie beispielsweise Parameter von Treibladungen im Fall eines Hybrid-Gasgenerators, die Masse und der Druck eines Vorratsgases im Gasbehälter, etc.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Auslassöffnungen jeweils einen unterschiedlichen Querschnitt auf. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, einen Airbag mit jeweils unterschiedlicher Aufblascharakteristik aufzublasen, je nachdem welche der Auslassöffnungen gleichzeitig oder zeitlich versetzt und ob eine oder mehrere Auslassöffnungen gleichzeitig oder zeitlich versetzt geöffnet werden.

Die Auslassöffnungen können auch, in Strömungsrichtung gesehen, jeweils einen unterschiedlichen Querschnittsverlauf aufweisen. Beispielsweise können sie in Strömungsrichtung verjüngend, erweiternd oder in Form einer Laval-Düse aus­ gebildet sein. Insbesondere bei der Ausbildung als Laval-Düse wird eine Beschleunigung des Gases über die Schallgeschwindigkeit des Gases hinaus und eine Abkühlung erreicht. Beide Effekte bewirken ein keulenartiges Aufblasen eines direkt nach den Auslassöffnungen angeordneten Gassacks.

Nach einer Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Gasgenerator als Hybrid- Gasgenerator ausgebildet, wobei dieser zumindest zwei in jeweils einer Brenn­ kammer angeordnete Treibladungen aufweist. Die Brennkammern sind über jeweils eine Brennkammer-Auslassöffnung mit dem Gasbehälter verbunden.

Die Auslassöffnungen des Gasbehälters sind vorzugsweise mittels jeweils einer zerstörbaren Membran verschlossen. Die Membran ist vorzugsweise so ausgebil­ det und dimensioniert, dass sie lediglich Zugspannungen übertragen kann. Dies hat zur Folge, dass die Membran bei einer ausreichenden Störung des Span­ nungsfeldes an einer beliebigen Stelle sprungartig platzt oder aufreißt und den gesamten Öffnungsquerschnitt sprungartig (d. h. extrem schnell) freigibt.

In einer Ausführungsform kann der Hybrid-Gasgenerator mittels jeweils einer Membran verschlossene Brennkammer-Auslassöffnungen aufweisen, wobei eine oder mehrere der Membrane im Bereich der Auslassöffnungen einen durch den Gasdruck der Treibladungen im Wesentlichen als Ganzes herausbrechbaren Teil­ bereich aufweisen. Übersteigt der Gasdruck einen vorbestimmten Schwellenwert, so wird der Teilbereich im Wesentlichen als Ganzes herausgebrochen und dient als Projektil zur Zerstörung der Membran der jeweils zugeordneten Auslassöff­ nung.

In einer anderen Ausführungsform können die Brennkammer-Auslassöffnungen als Verbindungskanäle ausgebildet sein, wobei in jedem Verbindungskanal ein Projektil vorgesehen ist, welches durch den Gasdruck der Treibladungen beschleunigbar ist und zur Zerstörung der Membran der jeweils zugeordneten Auslassöffnungen dient.

Diese speziellen Öffnungsvorrichtungen für einen Hybrid-Gasgenerator sind ausführlich in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 100 28 169.9 des Anmelders beschrieben. Der Gegenstand und Offenbarungsgehalt die­ ser Anmeldung wird durch die hier erfolgende Bezugnahme ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung integriert.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines zweistufigen Hybrid-Gasgenerators;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines dreistufigen Gasgenerators mit axialer Ausströmöffnung;

Fig. 3 eine Ausführungsform entsprechend Fig. 2 mit radialen Ausströmöff­ nungen;

Fig. 4 eine Ausführungsform nach Fig. 2 mit unmittelbar an die Auslassöff­ nungen der einzelnen Stufen angekoppeltem Gassack; und

Fig. 5 eine Ausführungsform nach Fig. 4 mit unterschiedlichen Auslassöff­ nungen.

Der in Fig. 1 dargestellte Hybrid-Gasgenerator 1 ist zweistufig ausgebildet und umfasst zwei Brennkammern 3, 3' und einen gemeinsamen Gasbehälter 5. Die Brennkammern 3, 3' sind an ihrem rückwärtigen Ende mittels eines Verschluss­ teils 7 verschlossen, wobei im Verschlussteil 7 zwei Aktiviervorrichtungen 9, 9' zum Aktivieren eines gaserzeugenden Materials 11 angeordnet sind, welches im Innenraum der Brennkammern 3, 3' enthalten ist. Die Aktiviervorrichtungen 9, 9' sind vorzugsweise als mittels eines elektrischen Signals ansteuerbare Anzün­ der ausgebildet. Die axial verlaufenden Wandungen der Brennkammern 3, 3' können, wie in Fig. 1 dargestellt, vorzugsweise als Rohrabschnitt ausgebildet sein.

Der Gasbehälter 5, dessen axial verlaufende Außenwandung ebenfalls als Rohr­ abschnitt ausgebildet sein kann, ist an seinem rückwärtigen, den Brennkammern 3, 3' zugewandten Ende, mit einem Endstück 13 verbunden, in welchem, vor­ zugsweise in der Achse jeder der Brennkammern 3, 3' verlaufend, ein Führungs­ kanal 15, 15' ausgebildet ist. Das Endstück 13 ist ebenfalls mit den vorderen Enden der die Brennkammern 3, 3' bildenden Rohrabschnitte verbunden. Diese Elemente können aus Metall oder einem geeigneten Kunststoff bestehen. An­ stelle des in Fig. 1 dargestellten mehrteiligen Aufbaus können die genannten Elemente selbstverständlich auch ganz oder teilweise einstückig miteinander ausgebildet sein.

Im vorderen Endbereich des Gasbehälters 5 sind zwei Auslassmembrane 17, 17' vorgesehen, welche jeweils eine Auslassöffnung 19, 19' des Gasbehälters 5 dicht verschließen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Auslassmembrane 17, 17' in einem Verschlusselement 21 gehalten, welches im vorderen Endbe­ reich des Rohrabschnitts des Gasbehälters 5 angeordnet und mit diesem dicht verbunden ist. Das Verschlusselement 21 kann wiederum aus Metall oder Kunst­ stoff bestehen und mit dem Rohrabschnitt des Gasbehälters verschweißt oder einstückig mit diesem verbunden sein. Die Auslassmembrane 19, 19' können an der innenseitigen Stirnwandung des Verschlusselements 21 angeordnet und mit dieser, zum Beispiel durch Schweißen, dicht verbunden sein. Soll eine gewehr­ laufähnliche Wirkung, verursacht durch die axiale Ausdehnung der Auslassöff­ nungen 19, 19' für die nach dem Zerstören der Auslassmembrane gegebenenfalls entstehenden Bruchstücke vermieden werden, so kann jede der Auslassmembra­ ne 19, 19' auch am in Auslassrichtung außenseitigen Ende des Verschlussele­ ments 21 vorgesehen sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies jedoch nicht erforderlich, da sich an die Auslassöffnungen ein weiterer nachgeschalteter Raum anschließt, der durch einen Gehäuseendbereich 23 gebildet ist. Dieser nachgeschaltete Raum dient dazu, das aus den Auslassöffnungen 19, 19' ent­ strömende Gas zusammenzufassen und einer gemeinsamen Ausströmöffnung 25 zuzuführen. In axialer Verlängerung der Auslassöffnungen 19, 19' schließt sich eine Endwandung 23a des Gehäuseendbereichs 23 an, so dass gegebenenfalls durch die Auslassöffnungen 19, 19' geführte und beschleunigte Bruchteile der Membrane 17, 17' lediglich gegen die Endwandung 23a prallen, ohne dass ein Schaden angerichtet werden könnte. Die Membrane 17, 17' können, wie auch das Verschlusselement 21, aus Kunststoff bestehen. Die Membrane können in diesem Fall auch einstückig mit dem Verschlusselement ausgebildet sein oder sie werden nachträglich mit dem Verschlussteil verschweißt, beispielsweise mittels eines Ultraschall-Schweißverfahrens.

In den Führungskanälen 15, 15' des Endstücks 13 des Gasbehälters 5 ist jeweils ein Projektil 27, 27' vorgesehen. Die Projektile 27, 27' sind vorzugsweise durch geringe Reibungskräfte im Führungskanal 15, 15' gehalten, so dass sie bei Lage­ änderungen des Gasgenerators 1 nicht aus den Führungskanälen 15, 15' heraus­ fallen können. Selbstverständlich können die Projektile auch mittels entspre­ chender Rastmittel, die im jeweiligen Führungskanal bzw. am Umfang des Pro­ jektils ausgebildet sind, im Führungskanal gehalten sein. An der rückwärtigen Stirnseite des Endstücks 13 sind Brennkammer-Auslassmembrane 29, 29' vorge­ sehen. Diese können aus Metall oder Kunststoff bestehen und sind mit dem aus Metall oder Kunststoff bestehenden Endstück 13 vorzugsweise durch eine ring­ förmige Schweißnaht, die sich um den Querschnitt des jeweiligen Führungska­ nals 15, 15' herum erstreckt, dicht verbunden. Im Innenraum der Brennkammern 3, 3' ist vor der durch die Brennkammer-Auslassmembran 29, 29' verschlosse­ nen Öffnung des jeweiligen Führungskanals 15, 15' jeweils eine erste Partikel­ rückhalteeinrichtung 31, 31' vorgesehen. Diese Partikelrückhalteeinrichtungen 31, 31' umfassen ein scheibenartiges Abschirmelement 33, 33', welches einen Prallbereich 35, 35' aufweist. Der Prallbereich 35, 35' deckt die durch die Membrane 29, 29' abgedeckten Öffnungen der Führungskanäle 15, 15' ab, so dass ein direktes Eindringen von festen oder flüssigen Partikeln, die bei der Gas­ erzeugung im Innenraum der Brennkammern 3, 3' entstehen, in den Führungska­ nal 15, 15' bzw. ein Auftreffen der Partikel auf die jeweilige Membran 29, 29' im Bereich der Öffnungen der Führungskanäle 15, 15' verhindert wird. Um einen Durchtritt des in den Brennkammern 3, 3' erzeugten Gases durch den jeweiligen Führungskanal 15, 15' in den Gasbehälter 5 zu ermöglichen, weist das Ab­ schirmelement Durchgangsöffnungen 37, 37' auf und ist in einem vorbestimmten Abstand vor der jeweiligen Membran 29, 29' bzw. der jeweiligen Öffnung des Führungskanals 15, 15' angeordnet. Durch die endliche Dicke der Abschirmele­ mente 33, 33' bzw. die endliche Länge der Durchgangsöffnungen 37, 37' kann der durch sie hindurchtretende Partikelstrom nicht direkt im Bereich der Öffnung des jeweiligen Führungskanals 15, 15' auf die Membran 29, 29' auftreffen oder in den Führungskanal eintreten. Die Durchgangsöffnungen können im Quer­ schnitt so klein gewählt sein, dass gleichzeitig eine Filterfunktion erreicht wird.

Die Bereiche der Öffnungen der Führungskanäle 15, 15' können mit einer Prall­ platte 39, 39' umgeben sein, die aus einem Material besteht, welches die durch die Durchgangsöffnungen 37, 37' des Abschirmelements 33, 33' hindurchtreten­ den Partikel beim Auftreffen zerplatzen lässt, so dass diese eine unkritische Grö­ ße erreichen. Das Material kann auch so beschaffen sein, dass diejenigen Teil­ chen, die nicht zerplatzen, in die Prallplatte 39, 39' eindringen und in ihr gefan­ gen bleiben.

Die Partikelrückhalteeinrichtung 31, 31' gewährleistet daher jeweils, dass die Membran 29, 29' nicht vor Erreichen eines bestimmten Schwellendrucks durch feste oder flüssige Partikel zerstört wird. Des weiteren verhindert die Partikel­ rückhalteeinrichtung das Hindurchtreten von hochenergetischen Partikeln durch den Führungskanal 15, 15' und schützen damit nachgeschaltete Einrichtungen, wie ein Gasleitrohr, eine Mischkammer, einen Diffusor oder einen aufzublasen­ den Sack.

Im Folgenden wird kurz die Funktion des in Fig. 1 dargestellten Hybrid- Gasgenerators erläutert: Nach dem Aktivieren der jeweiligen Aktiviervorrichtung 9, 9' wird das im Innenraum der jeweiligen Brennkammer 3, 3' enthaltene gaser­ zeugende Material 11, 11' aktiviert. Durch die Gaserzeugung erfolgt im Innen­ raum der jeweiligen Brennkammer 3, 3' ein Druckanstieg. Die Brennkammer- Auslassmembran 29, 29' ist jeweils hinsichtlich ihrer Dicke und ihres Materials in Abhängigkeit vom Querschnitt des Führungskanals 15, 15' so dimensioniert, dass bei einem vorgegebenen Schwellendruck innerhalb sehr enger Toleranzen ein Zerstören der Membran im Bereich des Querschnitts des Führungskanals 15, 15' erfolgt. Das im Führungskanal 15, 15' gehaltene Projektil 27, 27' wird nach dem Zerstören der Membran 29, 29' plötzlich mit dem entsprechenden Schwel­ lendruck beaufschlagt. Das Projektil 27, 27' wird so extrem definiert beschleu­ nigt und über die gesamte Lauflänge im Führungskanal 15, 15' bis zu seinem Austreten aus dem Führungskanal geführt. Die Lauflänge ist dabei als diejenige Länge des Führungskanals 15, 15' definiert, die das Projektil von seiner Aus­ gangsposition im Führungskanal bis zu seinem Austreten aus dem Führungskanal durchläuft. Die Lauflänge bestimmt neben anderen Faktoren (Beaufschlagungs­ druck, Masse des Projektils, etc.) die Endgeschwindigkeit des Projektils beim Verlassen des Führungskanals.

Das jeweilige Projektil 27, 27' wird mit einer vorbestimmten Endgeschwindig­ keit aus dem Führungskanal 15, 15' ausgestoßen und fliegt in Richtung auf die jeweils zugeordnete zerstörbare Auslassmembran 17, 17', welche es beim Auf­ treffen zerstört. Demzufolge tritt ein Gemisch des im Gasbehälter 5 (mit einem vorgegebenen Druck) enthaltenen Vorratsgases und des in der Brennkammer oder den Brennkammern 3, 3' erzeugten Gases, welches nach dem Austreten des oder der Projektile 27, 27' aus den Führungskanälen 15, 15' in den Gasbehälter 5 übertritt, aus der Austrittsöffnung 25 des Gasgenerators 1 aus. Der Verlauf des Massenstroms des aus der Austrittsöffnung 25 austretenden Gasgemischs ist einerseits abhängig von den Druckverhältnissen im Innenraum des Gasbehälters 5. Direkt bestimmt wird der Verlauf des Massenstroms jedoch durch die Aus­ lassöffnungen 19, 19': In den Auslassöffnungen bildet sich jeweils ein senkrech­ ter Verdichtungsstoß, der danach die Strömungsverhältnisse rückwirkungsfrei für den Gasbehälter 5 bestimmt. Dieser Effekt wird jedoch nur dann in ausreichen­ dem Maß erreicht, wenn die Summe aller nachfolgenden Strömungsquerschnitte deutlich größer ist als die Summe der Querschnitte der Auslassöffnungen.

Der zeitlich und örtlich dem Gasbehälter 5 zugeführte Massenstrom durch die Gaserzeugung in den Brennkammern 3, 3' ist durch die Art des gaserzeugenden Materials und den Querschnitt bzw. den axialen Verlauf des Querschnitts der Führungskanäle 15 (und deren Länge) bestimmt. Wie in Fig. 1 dargestellt, kön­ nen die Führungskanäle 15, 15' unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wo­ durch sich ein jeweils unterschiedlicher Massenstrom ergibt. Selbstverständlich können auch die gaserzeugenden Materialien 11, 11' hinsichtlich ihrer Art (Brennverhalten des Materials) und ihrer Menge unterschiedlich ausgebildet sein.

In gleicher Weise können die Auslassöffnungen 19, 19' des in Fig. 1 dargestell­ ten zweistufigen Gasgenerators identisch oder verschiedenartig ausgebildet sein.

Je nachdem, wie der Massenstrom des aus der Ausströmöffnung 25 ausströmen­ den Gases beschaffen sein soll (und damit der Zeit- und ortsabhängige Druck in der Ausströmöffnung 25 bzw. in der Umgebung der Ausströmöffnung 25), kön­ nen die Aktiviervorrichtungen 9, 9' gleichzeitig oder in einem bestimmten zeitli­ chen Abstand aktiviert werden. Des weiteren kann entweder die Aktiviervor­ richtung 9 oder die Aktiviervorrichtung 9' als erste aktiviert werden, falls, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, die Charakteristika der an der Gaserzeugung beteiligten Komponenten unterschiedlich ausgebildet sind (hier insbesondere der Querschnitt der Führungskanäle 15, 15').

Im ausgangsseitigen Bereich des Gasgenerators 1 nach Fig. 1 ist eine zweite Partikelrückhalteeinrichtung 41 vorgesehen. Diese umfasst mehrere scheiben­ förmige Elemente, die jeweils ein Umlenken des austretenden Gasstroms bewir­ ken. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die zweite Partikelrückhalteein­ richtung 41 aus zwei verschiedenen Typen von scheibenartigen Elementen gebildet. Ein erster Typ 43 der scheibenartigen Elemente ist im Wesentlichen durch einen Ring gebildet, dessen zentrische Durchbruchsöffnung 43a ein axiales Hin­ durchtreten des Gasstroms einschließlich der darin noch befindlichen Partikel gestattet. Der zweite Typ 45 der scheibenartigen Elemente weist keinen zentri­ schen Durchbruch auf, sondern mehrere radial außen liegende Durchbruchsöff­ nungen 45a. In der Draufsicht eines scheibenartigen Elements 45 können die radial äußeren Durchbruchsöffnungen 45a als mehrere auf einer Kreislinie ange­ ordnete Bohrungen ausgebildet sein.

Der Gasstrom tritt nach dem Zerstören einer oder beider der die Auslassöffnun­ gen 19, 19' verschließenden Membrane 17, 17' zunächst durch die zentrische Durchbruchsöffnung 43a des scheibenartigen Elements 43 hindurch und trifft dann auf den zentrischen Bereich eines danach angeordneten scheibenartigen Elements 45. Der Gasstrom wird daher zunächst aus seiner im Wesentlichen axial verlaufenden Strömung in eine im Wesentlichen radialen Strömungsrich­ tung umgelenkt und tritt dann durch die radial nach außen versetzten Durchbrü­ che 45a des scheibenartigen Elements 45 hindurch. Der zentrische Bereich des scheibenartigen Elements 45 kann als Prallbereich ausgebildet sein, wie dies in Verbindung mit der Prallplatte 33 der ersten Partikelrückhalteeinrichtung bereits beschrieben wurde. Des weiteren kann der Prallbereich des Elements 45 am Bo­ den einer Ausnehmung vorgesehen sein, so dass die Ausnehmung als Auffangbe­ reich wirkt, in dem sich die Partikel ablagern können. Nach dem Hindurchtreten durch die radial außen liegenden Durchbruchsöffnungen 45a tritt der Gasstrom aus der Ausströmöffnung 25 des Gasgenerators 1 aus.

Diese Ausbildung der zweiten Partikelrückhalteeinrichtung 41 hat den Vorteil, dass gegenüber den im Stand der Technik vor den Ausströmöffnungen des Diffu­ sors verwendeten Filterpaketen bzw. -sieben ein sehr geringer Strömungswiderstand erreicht wird. Um die im Hinblick auf die Entwicklung und Dimensionie­ rung des Gasgenerators vorteilhafte Rückwirkungsfreiheit der den Auslassöff­ nungen 19, 19' nachgeordneten Komponenten zu erreichen, ist die Summe der Querschnittsflächen der nachgeschalteten Komponenten in der oder den mehre­ ren Strömungsrichtungen (bei Aufteilung und Umlenkung) gesehen größer ge­ wählt als die Summe der Querschnittsöffnungen der Auslassöffnungen 19, 19'. Dies gilt auch für die Summe der Querschnittsflächen der radial äußeren Durch­ bruchsöffnungen 45a des scheibenartigen Elements 45. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass allein die Auslassöffnungen 19, 19' strömungsbestimmend sind, bzw. nur in diesen jeweils ein senkrechter Verdichtungsstoß auftritt.

Bei der Entwicklung eines derartigen Gasgenerators kann daher der aus dem Gasgenerator ausströmende Gas-Massenstrom bzw. dessen zeitliche und örtliche Größe durch eine Veränderung der Auslassöffnungen 19, 19' (Querschnitt bzw. axialer Querschnittsverlauf) eingestellt werden, ohne dass jeweils eine Wechsel­ wirkung der Auslassöffnungen mit den nachgeschalteten Komponenten oder - in abgeschwächter Form - mit vorgeschalteten Komponenten zu berücksichtigen wäre.

Dieses Verhalten eines derartigen Gasgenerators ist in den Fig. 2 bis 4 an­ hand mehrerer Beispiele nochmals erläutert:

Fig. 2 zeigt schematisch einen Gasgenerator 100 mit einem Gasbehälter 102, in welchem ein unter einem bestimmten Druck stehendes Vorratsgas enthalten ist oder in dem Vorratsgas erzeugbar ist. Bei dem Gasgenerator 100 kann es sich somit um jeden beliebigen Typ eines Gasgenerators handeln und nicht nur um einen Hybrid-Gasgenerator.

Der Gasgenerator 100 weist n Auslassöffnungen 104 auf, die jeweils in Aus­ strömrichtung gesehen eine konstante Querschnittsfläche A₁, A₂ bis A_n besitzen. Die Summe der Querschnittsflächen der einzelnen Auslassöffnungen ist wieder­ um kleiner gewählt als die Querschnittsfläche einer Ausströmöffnung 106 einer den Auslassöffnungen 104 nachgeschalteten Wirbelkammer 108.

Die Auslassöffnungen 104 sind jeweils durch eine zerstörbare Membran 110 verschlossen, die durch eine beliebige Vorrichtung zerstört werden kann.

Hierbei kann es sich im Fall eines Hybrid-Gasgenerators um eine Vorrichtung handeln, bei der die Membran 110 mittels eines Projektils zerstört wird.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform eines Gasgenerators 100 ähnlich Fig. 2, wobei jedoch dem Gasbehälter 102 anstelle einer Wirbelkammer ein Diffusor 112 nachgeschaltet ist. Der Diffusor 112 weist eine Vielzahl von radialen Ausström­ öffnungen 114 auf, die Öffnungsquerschnittsflächen A_D1, A_D2 bis A_Dm besitzen. Um eine Rückwirkungsfreiheit des Diffusors 112 in Bezug auf das Auslassver­ halten des Gasgenerators 100 bzw. des Gasbehälters 102 zu gewährleisten, ist die Summe der Öffnungsquerschnittsflächen A_D1 bis A_Dm wieder größer gewählt als die Summe der Öffnungsquerschnittsflächen der Auslassöffnungen 104.

Durch die radialen Ausströmöffnungen 114 des Diffusors und die hierdurch zwingend erforderliche Umlenkung des zunächst im Wesentlichen axialen Ver­ laufs des Gasstroms wird ein derartiger Gasgenerator rückstoßfrei bzw. schub­ frei.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Gasgeneratoren 100 weisen wieder mehrere Auslassöffnungen 104 auf. Beide Ausführungsformen eines Gasgenerators 100 sind so ausgebildet, dass unmittelbar nach den Auslassöffnungen 104 ein aufzublasender Gassack, beispielsweise eines Airbagsystems für ein Kfz, anschließbar ist. Da sich zwischen den Auslassöffnungen 104 und dem aufzubla­ senden Gassack keinerlei weitere Komponenten erstrecken, kann das Aufblas­ verhalten des Gassacks 116 unterschiedlich gestaltet werden, wenn die Auslass­ öffnungen 104 hinsichtlich ihres konstanten Querschnitts oder hinsichtlich des axialen Querschnittsverlaufs unterschiedlich ausgebildet sind. Denn die Quer­ schnittsöffnung bzw. der Verlauf der Querschnittsöffnung in Strömungsrichtung bestimmt den zeitlichen und örtlichen Verlauf des Massenstroms des Gases nach dem Austritt aus der jeweiligen Auslassöffnung. Eine geringe Öffnungsquer­ schnittsfläche einer Auslassöffnung 104 führt beispielsweise zu einem keulenar­ tigen Aufblasverhalten des Gassacks 110, da der Massenstrom im Querschnitt scharf gebündelt ist, dafür jedoch in Strömungsrichtung über eine große Distanz eine hohe Geschwindigkeit aufweist.

Mit einem großen Öffnungsquerschnitt kann dagegen ein ballonartiges Aufblas­ verhalten erreicht werden. Werden daher Auslassöffnungen 104 unterschiedli­ chen Querschnitts vorgesehen, so kann je nach Bedarf das Aufblasverhalten des Gassacks 116 bestimmt werden.

Die Ausführungsform eines Gasgenerators 100 gemäß Fig. 5 zeigt Auslassöff­ nungen 104 mit jeweils unterschiedlichem Verlauf der Querschnittsfläche in Strömungsrichtung. Beispielsweise kann mit einer sich in Strömungsrichtung verjüngenden (konvergenten) Auslassöffnung 104 ein noch extremeres keulen­ förmiges Aufblasverhalten erreicht werden, da der Gasstrom nach seinem Hin­ durchtreten durch die jeweiligen Auslassöffnung 104 noch weiter konzentriert wird. Dagegen kann mit einer sich in Strömungsrichtung erweiternden (divergenten) Auslassöffnung ein extrem ballonartiges Aufblasverhalten erreicht wer­ den.

Die in Fig. 5 dargestellte Möglichkeit einer sich zunächst in Strömungsrichtung verjüngenden und dann erweiternden Auslassöffnung 104 ergibt einen düsenarti­ gen Effekt, wodurch wiederum ein eng begrenzter Massenstrom erzeugt wird, der jedoch eine sehr hohe Geschwindigkeit aufweist. Eine derartige Auslassöff­ nung kann beispielsweise in Form einer Laval-Düse ausgebildet sein. Dadurch wird der Gasstrom auf Geschwindigkeiten über den Wert der entsprechenden Schallgeschwindigkeit des treibenden Gasstroms beschleunigt und dabei gleich­ zeitig abgekühlt.

Die zerstörbaren Membrane 110 der Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 bis 5 können durch beliebige Öffnungsmechanismen zerstört werden. Die Memb­ rane können beispielsweise aufgestochen, ausgestanzt oder aufgeschossen wer­ den. Die jeweiligen Baugruppen der Öffnungsmechanismen können sich im Gas­ behälter oder auch außerhalb, d. h. in Strömungsrichtung nach den strömungsbe­ stimmenden Auslassöffnungen vorgesehen sein. Bei dem jeweiligen Öffnungs­ mechanismus kann es sich beispielsweise um ansteuerbar betätigbare Nadeln oder dergleichen handeln.

Des weiteren kann eine Membran so ausgebildet sein, dass sie im Grundzustand mittels eines Abstützelements, beispielsweise eines oder mehrerer Stege, gehal­ ten bzw. abgestützt ist. Wird das Abstützelement entfernt, so reißt die in geeig­ neter Weise dimensionierte Membran aufgrund des im Gasbehälter herrschenden Gasdrucks auf. Das Abstützelement kann wiederum mittels eines ansteuerbar betätigbaren Mechanismus entfernt werden.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich sämtliche Merk­ male der vorstehend beschriebenen Gasgeneratoren auch zu weiteren Ausfüh­ rungsformen miteinander kombinierbar sind. Insbesondere können die verschie­ denartigen Auslassöffnungen gemäß den Fig. 2 bis 5 auch auf einen Gasgene­ rator gemäß Fig. 1 angewendet werden. Der Kern der vorliegenden Erfindung ist jedoch darin zu sehen, dass die Auslassöffnungen eines Gasgenerators im We­ sentlichen alleine den jeweiligen Massenstrom des aus dem Gasgenerator aus­ tretenden Gases bestimmen.

Claims (11)

1. Mehrstufiger Gasgenerator, insbesondere für KFZ-Airbagsysteme, mit einem Gasbehälter (5, 102), in welchem ein Vorratsgas enthalten und/oder in welchem Gas erzeugbar und/oder welchem Gas zuführbar ist, wobei der Gasbehälter (5) mehrere mittels ansteuerbarer Öffnungsvorrich­ tungen (9, 11, 27; 9', 11', 27') öffenbare Auslassöffnungen (19, 19', 104) aufweist, wobei die Auslassöffnungen (19, 19', 104) hinsichtlich ihrer je­ weils einzelnen Querschnitte und hinsichtlich der Gesamtquerschnittsfläche strömungsbestimmend für den Massenstrom des Gases ausgebildet sind.

2. Gasgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus­ lassöffnungen (19, 19', 104) in einen nachgeschalteten Raum, beispielswei­ se eines Führungsrohrs, einer Wirbelkammer (108) oder eines Diffusors (112) münden, welcher eine oder mehrere Ausströmöffnungen (25, 106) für das im Gasbehälter befindliche oder darin erzeugbare Gas aufweist, wobei die Gesamtquerschnittfläche der Ausströmöffnungen (25, 106) größer ist als die Gesamtquerschnittsfläche der Auslassöffnungen (19, 19', 104) des Gas­ behälters (5, 102).

3. Gasgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ge­ samtquerschnittfläche der Ausströmöffnungen (25, 106) wenigstens 10 Pro­ zent, vorzugsweise 20 Prozent größer ist als die Gesamtquerschnittsfläche der Auslassöffnungen (19, 19', 104) des Gasbehälters (5, 102).

4. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Auslassöffnungen (19, 19', 104) jeweils eine unter­ schiedliche Öffnungsquerschnittsfläche aufweisen.

5. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Auslassöffnungen (19, 19', 104) in Strömungsrich­ tung jeweils einen unterschiedlichen Verlauf der Öffnungsquerschnittsflä­ che aufweisen.

6. Gasgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus­ lassöffnungen (104) in Strömungsrichtung verjüngend, erweiternd oder in Form einer Laval-Düse ausgebildet sind.

7. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Auslassöffnungen (19, 19', 104) mittels jeweils ei­ ner zerstörbaren Membran (17, 17', 110) verschlossen sind.

8. Gasgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Gasgenerator als Hybrid-Gasgenerator (1) ausge­ bildet ist, welcher zumindest zwei in jeweils einer Brennkammer (3, 3') an­ geordnete Treibladungen aufweist, wobei die Brennkammern über jeweils einen Führungskanal (15, 15') mit dem Gasbehälter (5) verbunden sind.

9. Gasgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Führungskanal (15, 15') ein Projektil (27, 27') vorgesehen ist, welches durch den Gasdruck der Treibladungen beschleunigbar ist und zur Zerstö­ rung der Membran (17, 17') der jeweils zugeordneten Auslassöffnung (19, 19') dient.

10. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane durch im Gasbehälter 5 oder außerhalb des Gasbehäl­ ters 5 vorgesehene ansteuerbare Öffnungsvorrichtungen zerstörbar sind.

11. Gasgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane außenseitig durch ein oder mehrere Stützelemente ab­ gestützt sind und dass die Stützelemente durch ansteuerbare Aktuatoren ent­ fernbar oder zerstörbar sind, wobei die Membrane so dimensioniert sind, dass sie durch den im Gasbehälter 5 herrschenden Gasdruck zerstörbar sind, wenn die Abstützwirkung der Stützelemente entfällt.