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DE19726295A1 - Steuerventil für einen Gasgenerator - Google Patents

Steuerventil für einen Gasgenerator

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DE19726295A1
DE19726295A1 DE1997126295 DE19726295A DE19726295A1 DE 19726295 A1 DE19726295 A1 DE 19726295A1 DE 1997126295 DE1997126295 DE 1997126295 DE 19726295 A DE19726295 A DE 19726295A DE 19726295 A1 DE19726295 A1 DE 19726295A1
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Germany
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DE1997126295
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Markus Lindner
Marc Winterhalder
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Steuerventil für einen Gas­ generator, sowie einen mit dem Steuerventil ausgerüsteten Gasgenerator für eine Sicherheitseinrichtung insbesondere für ein Fahrzeuginsassen- Rückhaltesystem.
Gasgeneratoren enthalten üblicherweise ein Gehäuse mit einer darin gebildeten Brennkammer, in die ein pyrotechnisches Treibmittel einge­ füllt ist. Zur Aktivierung des Treibmittels ist ein Zünder vorgesehen, der in eine Öffnung des Gehäuses eingesetzt ist und in die Brennkammer hineinragt. In dem Gehäuse befinden sich mehrere Abströmöffnungen für die beim Verbrennen des Treibmittels freigesetzten Gase. Diese Gase werden dann der Sicherheitseinrichtung zugeführt, insbesondere einem aufblasbaren Gassack oder einem pneumatisch aktivierbaren Kniefänger.
In jüngster Zeit kommen verstärkt zwei- und mehrstufige Gasgenera­ toren zum Einsatz, bei denen in dem Gehäuse mehrere Brennkammern gebil­ det sind, und bei denen jeder Brennkammer eine separate Anzündeinheit zugeordnet ist. Mit diesen Gasgeneratoren läßt sich durch gleichzeitige oder zeitversetzte Zündung der Treibstoffmassen eine Anpassung der Gas­ generatorleistung an die Unfallschwere erreichen.
Falls bei einem leichten oder mittelschweren Unfall nur eine Stufe eines mehrstufigen Gasgenerators gezündet wird, verbleibt unverbrannte Treibstoffmasse in mindestens einer der Brennkammern. Das Recycling eines derartigen Gasgenerators ist daher nicht ungefährlich. Zudem ist das als Festtreibstoff zumeist verwendete Natriumazid toxisch, weshalb unverbrannte Treibstoffreste auch eine Gefahr für die Gesundheit der mit dem Recycling von Gasgeneratoren befaßten Personen darstellen.
Durch die Erfindung wird ein Steuerventil für einen Gasgenerator bereitgestellt, welches es ermöglicht, den in allen Brennkammern eines mehrstufigen Gasgenerators enthaltenen Treibstoff zu zünden und gleich­ wohl einen an die Unfallschwere angepaßten Gasmassenstrom zu erhalten. Durch die gezielte Steuerung des Gasmassenstroms kann die Leistungs­ charakteristik des Gasgenerators an die jeweiligen Bedürfnisse der Sicherheitseinrichtung angepaßt werden. Das Steuerventil ermöglicht eine Kopplung und Mischung der Gasmassenströme mehrstufiger Gasgenera­ toren, wobei über die zeitlich versetzte Zündung der Treibstoffmassen in den jeweiligen Brennkammern eine Schaltung des Steuerventils in Abhängigkeit von dem jeweiligen Brennkammerinnendruck erreicht wird. Selbst bei Zündung der Treibstoffmassen aller im System vorhandenen Brennkammern wird durch selektives Verschließen von den jeweiligen Brennkammern zugeordneten Abströmöffnungen eine gezielte Steuerung des Gasmassenstroms erreicht.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Steuerventil bereitgestellt, wel­ ches ein Ventilgehäuse, eine in dem Ventilgehäuse gebildete kreisring­ förmige Ventilkammer, einen in der Ventilkammer drehbeweglich gelager­ ten Schieber sowie in dem Ventilgehäuse angeordnete Öffnungen für den Gaseintritt und den Gasaustritt aufweist, wobei der Schieber wenigstens eine Mittelposition sowie eine erste und eine zweite Endposition ein­ nehmen kann und wobei der Schieber in der ersten und in der zweiten Endposition jeweils einen Teil der Öffnungen für den Gaseintritt und den Gasaustritt selektiv verschließt.
Das erfindungsgemäße Steuerventil kommt in einem Gasgenerator für eine Sicherheitseinrichtung, insbesondere für ein Fahrzeuginsassen- Rückhaltesystem, zum Einsatz, der wenigstens zwei räumlich voneinander getrennte gaserzeugende Einheiten zur Bereitstellung eines Gasmassen­ stroms und jeweils eine den gaserzeugenden Einheiten zugeordnete Anzündeinheit aufweist, wobei die gaserzeugenden Einheiten des Gasgene­ rators jeweils mit einem Teil der Öffnungen für den Gaseintritt und den Gasaustritt des Steuerventils in Strömungsverbindung stehen.
Das erfindungsgemäße Steuerventil eignet sich sowohl für den Ein­ satz in pyrotechnischen Gasgeneratoren als auch in Hybridgasgenera­ toren.
Das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung besteht in einem druck­ gesteuerten Ventil, welches drei oder mehr Stufen schalten, d. h. Gas­ massenströme durchlassen kann. Dabei ist lediglich entscheidend, welche der vorgeschalteten Brennkammern bzw. Kaltgasspeicher des Gasgenerators zuerst aktiviert wird, d. h. zuerst Druck aufbaut. Die gaserzeugende Einheit, die zuerst Druck aufbaut, betätigt das ringförmige Ventil und verschließt sofort die den anschließend gezündeten Brennkammern oder Kaltgasspeichern zugeordneten Abströmöffnungen, wodurch das aus diesen gaserzeugenden Einheiten freigesetzte Gas nicht oder nur zu einem geringen Teil zum Gesamtgasmassenstrom beiträgt. Das in den später gezündeten gaserzeugenden Einheiten freigesetzte Gas verbleibt zunächst in der jeweiligen Brennkammer bzw. dem jeweiligen Kaltgasspeicher und wird dem Gesamtgasmassenstrom des Gasgenerators nur durch sehr kleine Druckausgleichsbohrungen in der betreffenden Brennkammer bzw. in einem dem betreffenden Kaltgasspeicher zugeordneten Mischungsraum zugeführt. Aufgrund des sehr geringen Durchmessers der Druckausgleichsbohrungen trägt dieser Gasstrom jedoch nur zu einem geringen Teil zu dem für das Aufblasen des Gassacks verwendeten Gesamtgasmassenstrom bei. Das Steu­ erventil ermöglicht so einen zeitlich gezielt steuerbaren Gesamtgasmas­ senstrom.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht im Querschnitt auf das erfindungsgemäße Steuerventil;
Fig. 2 eine Seitenansicht im Querschnitt des erfindungsgemäßen Steuerventils aus Fig. 1; und
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen pyrotechnischen Gasgenerator, in den das erfindungsgemäße Steuerventil eingesetzt ist.
Die Fig. 1 und 2 zeigen das Steuerventil 10, welches bei der hier gezeigten Ausführungsform ein Ventilgehäuse umfaßt, welches aus einem Gehäuseoberteil 12, einem mit dem Gehäuseoberteil fluchtenden Unterteil 14 und einem den Rand des Gehäuseoberteils 12 und des Gehäu­ seunterteils 14 umgreifenden Fixierring 16 zusammengesetzt ist. In dem Ventilgehäuse ist eine kreisringförmige Ventilkammer 18 gebildet, in die ein drehbeweglich gelagerter Schieber 20 eingebracht ist. Das Ven­ tilgehäuse ist zudem mit Öffnungen für den Gaseintritt 22 sowie Öffnun­ gen für den Gasaustritt 24 versehen.
Der drehbewegliche Schieber 20 kann in der Ventilkammer wenigstens eine Mittelposition (in Fig. 1 dargestellt) sowie eine erste und eine zweite Endposition einnehmen, wobei der Schieber in der ersten und der zweiten Endposition jeweils einen Teil der Öffnungen für den Gasein­ tritt 22 und den Gasaustritt 24 selektiv verschließt.
Zur Festlegung der ersten und der zweiten Endposition des Schiebers 20 ist in der Ventilkammer ein Anschlag 26 mit Hilfe von Schrauben 28 befestigt. Wenn sich der Schieber 20 in seiner Mittelposition befindet, ist zwischen den Stirnflächen 30 des Anschlags 26 und den Stirnflächen 34 des Schiebers jeweils ein Hohlraum 38 gebildet, wobei jedem Hohlraum ein Teil der Öffnungen für den Gaseintritt 22 und den Gasaustritt 24 zugeordnet ist.
Der Schieber 20 wird in seiner Mittelposition vorzugsweise von einer in der Ventilkammer 18 vorgesehenen Rast 32 gehalten, die in eine in der Mitte des Schiebers 20 vorgesehene Aussparung 36 eingreift. In seiner ersten Endposition liegt der Schieber an einer der Stirnflächen 30 des Anschlags 26 an und verschließt so die einem Hohlraum 38 zuge­ ordneten Öffnungen für den Gaseintritt 22 und den Gasaustritt 24. Gleichzeitig wird der Schieber 20 von der in der Ventilkammer 18 vor­ gesehenen Rast 32 gehalten, die in eine an einer vorbestimmten Stelle des Schiebers gebildete Aussparung 40 eingreift. In seiner zweiten Endposition liegt der Schieber 20 an der auf der entgegengesetzten Seite des Anschlags 26 gebildeten Stirnfläche 30 an und verschließt selektiv die dem auf dieser Seite des Anschlags 26 gebildeten Hohlraum 38 zugeordneten Öffnungen für den Gaseintritt 22 und den Gasaustritt 24. In dieser zweiten Endposition wird der Schieber 20 zusätzlich von der Rast 32 gehalten, welche in eine an einer entsprechenden Stelle des Schiebers gebildete Aussparung 40 eingreift. Die Rast 32 steht vorzugs­ weise unter einer Federspannung.
Das Ventilgehäuse 18 hat vorzugsweise die Form eines Hohlzylinders und ist damit der üblichen Form eines Gasgenerators angepaßt. Die Öff­ nungen für den Gasaustritt 24 sind vorzugsweise in dem Gehäuseoberteil 12 angebracht, sie können aber auch an jeder anderen geeigneten Stelle des Ventilgehäuses 18 gebildet sein. Die Öffnungen für den Gaseintritt 22 in das Steuerventil 10 sind bevorzugt an der inneren Mantelfläche des hohlzylinderförmigen Ventilgehäuses 18 angeordnet.
Fig. 3 zeigt einen zweistufigen Gasgenerator im Querschnitt, in den das erfindungsgemäße Steuerventil 10 eingebaut ist. Der Gasgenerator weist ein zylinderförmiges Gehäuse 42 auf, in dem zwei Brennkammern 44, 46 mit jeweils einer der Brennkammern zugeordneten Anzündeinheiten 48, 50 gebildet sind. Die Brennkammern 44, 46 sind in dem Gehäuse 42 ko­ axial nebeneinander angeordnet. Die Brennkammern 44, 46 können sowohl unterschiedliche als auch gleich große Füllvolumina aufweisen. Das er­ findungsgemäße Steuerventil 10 ist ringförmig ausgebildet und umgreift beide Brennkammern. In den Brennkammerwänden sind Abströmbohrungen 52 gebildet, die jeweils mit den Öffnungen für den Gaseintritt 22 (hier nicht dargestellt) im Steuerventil fluchten und mit diesen in Strö­ mungsverbindung stehen. Über dem Steuerventil 10 befinden sich eine oder mehrere Filtereinheiten 54, welche an der Innenwand des Gasgenera­ torgehäuses umlaufend ausgebildet sind. Über den Filtereinheiten 54 ist ein ringförmiger Sammelraum 56 gebildet, in dessen Bereich das Gasgene­ ratorgehäuse 42 radial umlaufend mit Abströmöffnungen 58 versehen ist.
Je nach der Zündung der Anzündeinheiten 48, 50 können aus den ge­ trennten Brennkammern 44, 46 des Gasgenerators zu verschiedenen Zeiten unterschiedliche Gasströme mit unterschiedlichen Drücken austreten. Diese Gasströme gelangen dann durch die Abströmbohrungen 52 über die Öffnungen für den Gaseintritt 22 in die Ventilkammer 18 und bewegen dort den drehbeweglich gelagerten Schieber 20 aus der Ruheposition (Mittelposition) heraus in eine der beiden Endpositionen. Hierbei ist lediglich entscheidend, auf welcher Seite der Öffnungen für den Gas­ eintritt 22 ein größerer Druck und somit auch eine größere Kraft auf eine der Stirnflächen 34 des Schiebers 20 vorherrscht. Je nachdem, auf welcher Seite des Schiebers 20 eine größere Kraft einwirkt, wird der Schieber 20 in Richtung der einwirkenden Kraft in der Ventilkammer 18 gedreht, bis er an dem Anschlag 26 anstößt und nicht mehr weiterver­ schoben werden kann. In dieser Position greift dann die Rast 32 in eine der äußeren Aussparungen 40 ein und gewährleistet eine sichere, nicht mehr lösbare Arretierung des Schiebers. Durch die Drehbewegung des Schiebers 20 werden dann die Öffnungen für den Gasaustritt 24 auf der Seite des Schieberanschlags verschlossen, auf der anfänglich der gerin­ gere Druck geherrscht hat. Somit kann nur einer von zwei getrennt zuge­ führten Gasmassenströmen das Steuerventil 10 passieren.
Eine Rückverschiebung des Schiebers 20 ist durch einen auf der Seite des Schieberanschlags auftretenden, zeitlich nachfolgenden Druck­ anstieg nicht mehr möglich, da die Rast 32 den Schieber 20 in der zu­ erst erreichten Endposition festhält. Stehen auf beiden Stirnseiten 34 des Schiebers zur gleichen Zeit gleiche Drücke an, z. B. bei gleichzei­ tiger Zündung der in den Brennkammern 44, 46 enthaltenen Treibladungen, oder existiert dort eine einen vorbestimmten Schwellenwert nicht über­ schreitende Druckdifferenz, bewegt sich der Schieber 20 aufgrund der Aufhebung der entgegengesetzt orientierten Kraftvektoren nicht aus sei­ ner Mittelposition heraus. In diesem Fall gibt der Schieber 20 die Aus­ trittsöffnungen 24 für beide Gasströmungen frei. Bei einer zeitversetz­ ten Aktivierung der Anzündeinheiten 48, 50 kann dagegen jeweils nur der Gasstrom der zuerst gezündeten Brennkammer 44, 46 das Steuerventil 10 passieren. Der aus der zeitlich später gezündeten Treibstoffmasse frei­ gesetzte Gasstrom kann dagegen das Steuerventil 10 nicht passieren, da der Schieber 20 bereits die dieser Brennkammer 44, 46 zugeordneten Gasaustrittsöffnungen 24 verschlossen hat. Der Druckausgleich in der Brennkammer erfolgt hier durch die in der Brennkammerwand angebrachten Druckausgleichsbohrungen 60, deren Durchmesser aber so geringgehalten ist, daß der aus diesen Druckausgleichsbohrungen 60 freigesetzte Gas­ massenstrom nicht in nennenswertem Umfang zum für das Aufblasen des Luftsacks zur Verfügung stehenden Gasmassenstrom beiträgt.
Das erfindungsgemäße Steuerventil 10 ermöglicht also die Bereit­ stellung eines variablen Gasmassenstroms durch Zündung entweder der Brennkammer 44 vor der Brennkammer 46 oder der Brennkammer 46 vor der Brennkammer 44, oder durch zeitgleiche Zündung beider Brennkammern 44, 46. Auf diese Weise können drei verschiedene Leistungscharakteristiken des hier verwendeten Gasgenerators eingestellt werden, wobei aber der im Generator enthaltene Treibstoff vollkommen verbrannt wird. Hierdurch können verbrauchte Gasgeneratoren bedenkenlos einem Recycling zugeführt werden.

Claims (15)

1. Steuerventil (10) zur Verwendung in einem Gasgenerator für Sicherheitseinrichtungen, mit einem Ventilgehäuse (12, 14, 16), einer in dem Ventilgehäuse gebildeten kreisringförmigen Ventilkammer (18), einem in der Ventilkammer (18) drehbeweglich gelagerten Schieber (20) sowie in dem Ventilgehäuse angeordneten Öffnungen für den Gaseintritt (22) und den Gasaustritt (24), wobei der Schieber (20) wenigstens eine Mittelposition sowie eine erste und eine zweite Endposition einnehmen kann, und wobei der Schieber (20) in der ersten und der zweiten Endpo­ sition jeweils einen Teil der Öffnungen für den Gaseintritt (22) und den Gasaustritt (24) selektiv verschließt.
2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (20) in der ersten und der zweiten Endposition an jeweils einer der Stirnflächen (30) eines in der Ventilkammer (18) angeordneten Anschlags (26) anliegt.
3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Stirnflächen (30) des Anschlags (26) und dem seine Mittel­ position einnehmenden Schieber (20) jeweils ein Hohlraum (38) gebildet ist, wobei jedem Hohlraum (38) ein Teil der Öffnungen für den Gasein­ tritt (22) und den Gasaustritt (24) zugeordnet ist.
4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schieber (20) in seiner Mitte mit einer Ausparung (36) versehen ist, in die eine in der Ventilkammer (18) vorgesehene Rast (32) eingreifen und der Schieber (20) in der Mittelposition fixie­ ren kann.
5. Steuerventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieber (20) wenigstens zwei weitere Ausparungen (40) zur Fixierung des Schiebers (20) mittels der Rast (32) in der ersten und der zweiten Endposition aufweist.
6. Steuerventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rast (32) unter einer Federspannung steht.
7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventilgehäuse (12, 14, 16) die Form eines Hohlzylin­ ders aufweist.
8. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventilgehäuse (12, 14, 16) aus einem Gehäuseoberteil (12), einem Gehäuseunterteil (14) und einer das Gehäuseoberteil (12) und das Gehäuseunterteil (14) umgreifenden Fixierung (16) besteht.
9. Steuerventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen für den Gasaustritt (24) in dem Gehäuseoberteil (12) gebildet sind.
10. Steuerventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnungen für den Gaseintritt (22) an einer inneren Mantelfläche des hohlzylinderförmigen Ventilgehäuses (12, 14, 16) ange­ ordnet sind.
11. Gasgenerator für eine Sicherheitseinrichtung, insbesondere für ein Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem, mit wenigstens zwei räumlich von­ einander getrennten gaserzeugenden Einheiten (44, 46) zur Bereitstel­ lung eines Gasmassenstroms und jeweils einer den gaserzeugenden Einhei­ ten zugeordneten Anzündeinheit (48, 50), dadurch gekennzeichnet, daß der Gasgenerator ein Steuerventil (10) gemäß einem der vorhergehenden An­ sprüche zur Steuerung des Gasmassenstroms umfaßt, und daß jede der gas­ erzeugenden Einheiten (44, 46) jeweils mit einem Teil der Öffnungen für den Gaseintritt (22) und den Gasaustritt (24) in Strömungsverbindung steht.
12. Gasgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gaserzeugenden Einheiten (44, 46) zwei in einem zylindrischen Gehäuse (42) koaxial zueinander angeordnete Brennkammern (44, 46) mit Fest­ treibstoff zur Erzeugung von Heißgas umfassen, und daß das Steuerventil (10) die Brennkammern (44, 46) umgreift.
13. Gasgenerator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (44, 46) nebeneinander angeordnet sind.
14. Gasgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (44, 46) mit Druckausgleichsbohrungen (60) zur Ableitung von Überdruck versehen sind, deren Durchmesser wesentlich geringer ist als der Durchmesser der Gaseintrittsöffnungen (22).
15. Gasgenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gaserzeugenden Einheiten jeweils einen Druckgasspeicher eines Hybrid­ gasgenerators umfassen.
DE1997126295 1997-06-20 1997-06-20 Steuerventil für einen Gasgenerator Withdrawn DE19726295A1 (de)

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