气体发生器技术

气囊模块的现行技术主要存在以下问题。

典型的司机侧气囊气体发生器炸药的能量大约为68kJ，分析表明，起爆一个司机气囊所需的能量只有680J，这就意味着炸药制剂里99%的能量被浪费了，其主要原因是炸药燃烧的输出与膨胀气袋的需求不匹配，其性质有些类似于阻抗不匹配。炸药制剂燃烧气体的特性是高压、高温、低气流量，而汽车气囊方面则按要求气源应当低温、低压、大流量。理论上讲，如果炸药制剂的能量被充分利用，则现有的气体发生器比实际需要大出了许多倍。为解决这个问题，市面上出现了“混合式”气体发生器，即用炸药去加温储存在容器里的高压气体，然后充满气袋。无疑，这种气体发生器的能量利用率更高，但是需要增加额外的高压气体容器和容器压力检测器。

由于气体发生器笨重而又低效，在进行燃药成分选择时就会遇到很多限制，主要原因是，燃烧后的气体产物一定是能够支持长时间呼吸的，否则，假设气囊在碰撞中刚刚救人一命，紧接着又用自己排放的有害气体将其毒死在密闭的车室里，那么这种拯救就变得毫无意义。因此，如果排气量很大，那么燃烧气体一定要求是无毒的。如果气体发生器的能量效率更高，排放的气体总量更少，炸药成分就会有更多的选择，因为可以考虑使用一些生成气体里虽含有轻微毒性但短期不会致伤的炸药组分。以前的药剂多数采用的是叠氮化钠，另外还有硝基胍和硝酸铵。叠氮化钠这种药剂的利用率很低，当叠氮化钠燃烧时，由于氧化剂的存在，会产生大量的氮气，同时还有氧化钠。氧化钠必须被阻隔在燃烧室内，因为如果氧化钠遇湿气会生成对人类毒性很大的碱液，所以气体发生器只允许氮气流入密闭的车室（即使被人长时间吸入也不会有中毒危险）。药剂燃烧后60%的燃料仍然会留在燃烧室内，余下40%的药剂以燃烧气体的形式进入气囊。叠氮化钠的燃烧残留物非常热，因此需要将气囊模块安装在远离易燃材料的位置。其他尝试过的燃料药剂包括硝化纤维、硝基胍、双基/三基配方和液态燃料，其共同问题是燃烧后会产生不同组分的氮氧化合物，外加相当量的一氧化碳，如果在密闭车室里吸入超过一定时间会给人带来危险。

如果车内装多个气囊，同时展开时其总体积会达到200～300L，会使密闭的车室内压力急剧增高，甚至会胀破车窗玻璃和打开车门，很容易导致耳部损伤甚至听力丧失。迄今为止，经历气囊起爆的人大约有17%遭受到永久性听力丧失伤害。

气袋展开时近距伤人一直是一个受高度关注的问题，当乘员不在正常位置上乘坐，而且距离气囊盖板很近的时候，这种伤害尤其严重。为了能打开气囊模块的盖板，必须首先建立起一定的压力，如果盖板上受压，如人的肢体压在盖板上，这个开盖压力就会更大。因此，人们对如何降低盖板打开力做了很多工作，如用火工技术在气囊起爆之前先将盖板切掉。

气囊本身质量很大，袋子是由厚重的涂覆硅胶材料制成的。没展开之前，很大的气袋要卷起并折叠在很小的模块外壳里，需要很大的充气力才能把气袋从紧凑密集的折叠状态吹胀成为完全舒展的状态，这些因素都增加了气囊的起爆力。为降低气袋的展开力，人们专门研究了很多气袋折叠方法。

针对现状，很多人提出了吸气式气囊概念［21］～［26］，基本过程是，燃料被点燃在燃烧室里产生高温与高压气体后，被导入一个收缩喉管，然后通过一个逐渐发散的喷口将其以超音速喷射出去，这时气体的压力和温度都相对较低。燃烧气体喷射出去以后与外部环境空气相融合，并利用自己的动能带动混合气体一起继续向前运动，进而充胀气袋，其基本理论见文献［27］。

气囊技术面世的早期就有人开始尝试吸气式气囊概念，但是气体混合率（吸气比）只有1.05，即从车室吸入气囊里的气体只占气体总量的5%。吸气式气囊在进行结构设计时一般都遇到了以下问题：

（1）喷嘴尺寸与出气喷口结构不易匹配。

（2）燃烧剂仍然局限在叠氮化钠。

（3）仍然不能取代过滤与降温装置。

在众多吸气式安全气囊的设计方案中，最接近实用水平的一种设计方案见文献［28］。据该文献分析，历史上诸多吸气方案没有得到实际应用的主要原因是没有意识到喷嘴直径与混流长度比值的重要性。混流长度是指高压气体被聚集以后与外部有效混合的流动距离。如果没提供足够的混流长度，吸气比就会下降。用直径/混流长度比为几千的设计方案，根据文献［28］所提出原理设计的气体发生器可获得6:1的理论吸气比（6份环境气体与1份燃烧气体混合），在应用中达到了3:1，即可以减少75%燃药量。另外，提供足够大的进气口也是一个保证吸气比的必要条件。其原理在副驾驶侧的应用结构示意见图7.4。

图7.4　乘员侧吸气式气囊原理示意［28］

1—气囊模块底座基板；2—弹簧钢片；3—长筒型吸气式气体发生器；4—出气口气流导板；5—刚性唇口；6—支架

在图7.4中，3是长筒型吸气式气体发生器，其轴向长度方向与车体坐标y轴一致，横向安装在副驾驶仪表板内，与现有传统气囊位置相同；1是气囊模块底座基板，安装时朝向车的前方；4是展开后的出气口气流导板，高压气体经此开口吹向气袋8（见图7.5）；5是气袋的刚性唇口，与基板之间以弹簧钢片2相连。处于工作状态时，车室内的气体通过唇口5与基座1之间的开口被吸入气囊内。

在非工作状态下，5、1之间的进气口7呈闭合状态，在燃烧压力作用下，盖板被打开，进气口7呈大开度状态，8为气袋。气囊模块的横截面示意图见图7.5。

起爆过程如下：药剂19的形状为长条棒状，上层覆盖引燃剂11（可以使用硝基纤维等药剂制作），同时将药剂19与空气隔绝起来。12是滤网，13是一个沿气体发生器壳体18长度方向布置的长缝出气口。药剂19被引燃剂11点燃以后，高压气体经过出气口13进入腔体14，流经由15、16、17构成的收缩—扩散喉口，喷到壳外空间。喉口的作用是形成超音高速、低压区域。

药剂19的初始燃烧压力将盖板9与基座之间的卡接缘口撕开。这个缘口的设计类似于拉链，可以从长度方向上的任一点开始，不需要很大的起始推动力。气体发生器的长度可以设计得和气袋的宽度一样长，这样袋子只需要叠褶而不需要卷曲，起爆力要远小于传统气袋的折叠方式。壳体18里的药剂19可以设计成双组分，表层的药剂可以燃烧得猛烈一些，用以推开盖板，随后下层药剂可以降低燃烧力度，以避免因气囊展开造成的近距伤害。初始燃烧通过导流板4推开盖板以后由唇口5向下运动，弹簧2张开，进气口7打开，外部空气通过进气口7被吸进低压区，与喷口10射出的超音速气流在混合区20形成混合气流充胀气袋。当药剂19燃烧殆尽以后，气袋8和唇口5在乘员的冲击力作用下向基座板1的方向运动，5与1之间的进气口7变小，但是5在弹簧2的作用下并不会完全回到图7.5（a）所示的初始位置把进气口7完全堵死，而是留有一个有限的进气口，充当气囊泄气口的职能，让气袋8里面的气体从进气口7反向流出到车室里去。

图7.5　条状吸气式气体发生器断面示意［28］

（a）静止状态；（b）起爆状态；（c）喷气口结构
1—基座；2—弹簧；3—气体发生器；4—出气口气流导板；5—唇口；6—支架；7—进气口；8—气袋；9—盖板；10—喷口；11—引燃剂；12—滤网；13—出气口；14—腔体；15，16，17—收缩—扩散喉口；18—壳体；19—药剂；20—混合区

根据质量守恒、动量守恒和能量守恒原理建立的气体发生器的流体动力学分析模型见文献［27］。文献［29］根据上述解析原理对喷口的空气动力学特性进行了仿真分析，目的是寻找喉口收敛进气口和发散出气口的最佳几何结构，使高速流场和低压区成为稳态。几何设计的参数定义方法见图7.6，仿真模型见图7.7和图7.8。

定义方法见图7.6，仿真模型见图7.7和图7.8。

图7.6　喷气口气动力学模型断面尺寸定义方法［29］

图7.7　速度矢量（m/s）优化结果：30bar（上）；35bar（下）（由ATI公司提供）

图7.8　压力（bar）场优化结果：30bar（上），35bar（下）（由ATI公司提供）

图7.8　压力（bar）场优化结果：30bar（上），35bar（下）（由ATI公司提供）（续）

对应于图7.7、图7.8的PAB结构设计方案见图7.9、图7.10［29］，与文献［28］所述原理不同，这个结构不是采用狭长喷气口而是采用了环形进气与喷嘴结构。

图7.9　驾驶员侧气体发生器圆形出气口设计（由ATI公司提供）

1—外壳；2—喷口外唇；3—喷口内唇；4—出气段；5—进气口；6—混合腔；7—喷气口

图7.10　驾驶员气囊气体发生器出气口设计（由ATI公司提供）

通过几何参数优化，样机上已经可以实现吸气比3:1。气体发生器在方向盘里的安装布置方向见图图7.11。

图7.12所示为另外一种结构的乘员侧吸气式气囊物理样机［31］，［32］。

吸气式气囊的原理与传统结构相比有很多优势，并给自适应设计带来了很大的创造空间，其主要优势如下（见图7.4和图7.5）：

（1）降低盖板开启力。如果盖板9在某一点受到阻滞，盖缘卡扣会在另外一点被挤开，压力会由此逐渐释放，像拉锁那样从一点逐渐发展到全长，而不会突然整体冲出。如果乘员全身压在盖板9上，燃烧气体会从微微张开的进气口7溢出。盖板的缘口设计可以使从内部打开的力很小，但是从外部打开很难。

图7.11　驾驶员侧气体发生器的安装方案

（由ATI公司提供）

图7.12　副驾驶侧吸气式气囊物理样机

（由一汽技术中心安全研究室提供）

（2）起爆性能不受环境温度影响。6是连接气体发生器壳体20与基座1之间的弹性支架，可以用双金属材料制作，通过材料选择和几何设计，支架6可以随温度变化。在低温环境下，药剂燃烧趋于缓慢，扩散—收缩喉口17随温度下降而关闭，腔体15的压力随之升高，从而提高了药剂燃烧率，直到腔体15内的气体流出使压力下降为止。类似地，如果环境温度升高，支架6就会增加喉口17处的间隙、减少流动阻力、降低腔体15的压力，以此保持恒定的燃烧率。一般来讲，随着温度和压力的升高，燃烧率会升高，这是一个不可控现象。但是对间隙进行补偿，会使气体发生器在环境温度变化时保持恒定的燃烧率。传统气体发生器的出气口是恒定的，在低温时需要有双倍的药量才能保持正常的产气量要求，并对气体毒性限制提出了更高的要求。

（3）提高耐燃烧安全性。由于吸气式气体发生器的出气口会随温度做自适应调节，如果处于外部燃烧的高温环境下，可以用支架6将出口开到最大，使腔体15建立不起高压，从而不会产生爆炸。在传统气体发生器里，需要针对火灾环境设计专门的引燃装置，以避免其发生突然爆炸。

（4）通过对弹簧2的优化设计，调节出气口开度，就可以给乘员提供最佳的约束力设计，而不受药剂燃料和包型的影响。

（5）降低气体温度。从喷口11喷出的燃烧气体与外部进入的气体混合以后会随之冷却，不需要专门设置冷却过滤网。

（6）提高气体利用率。直到药剂21烧尽以后，气袋8的气体才会通过开口7流出气囊，这意味着所有的燃烧气体先进入气袋然后再排出。传统气囊在开始燃烧的那一刻开始就一边产气一边从泄气孔往外排气，产出了大量没有发挥能量作用的气体。产气量大，意味着气体发生器的质量和燃药剂量都大，则对无毒性的要求更高，药剂的选择范围更小。

（7）不易引起火灾。药剂燃烧得很充分，残留物很少，不像普通的气体发生器那样残留大量的高温燃渣。因为燃烧时间很短，故壳体20也可以考虑选择工程塑料。因为不易引燃其他材料，所以气囊模块的布置自由度更大，允许接近一些易燃材料制件。

（8）可以控制燃烧速度。从棒状气体发生器的截面上看，图7.5结构呈矩形，意味着药剂会以一致的速度进行燃烧。假设我们需要调节燃烧速度和强度，例如在开始推开盖板的一瞬间要求增大燃烧强度，推开以后为了避免伤人又需要马上降低强度，为此可以采用两种不同强度的药剂进行组合，表层的燃烧快一些，下层的燃烧慢一些。除此之外也可以采用截面几何控制的方法，例如，如果把壳体20的截面设计成倒三角形，那么产气量就会逐渐降低。

（9）允许采用薄膜气袋。由于气体温度较低，因此不用采取有较厚涂层的气袋，可以采用由高强度塑料薄膜制成的轻质气袋。薄膜气袋的打开力比涂层织物气袋小，对乘员的打击力也小，更适合于保护非正常坐姿的乘员（OOP），其本身采用的就是一种低风险起爆（LRD）技术。

（10）吸气式气囊有自我限力特征。随着气袋压力的升高，吸气比会随之下降，阻止进一步充气，即总产气量下降，导致气袋压力下降，对乘员的冲击进行自适应性调整。

上述特点带来的直接收益是：气囊的使用非常安全，基本上从力学原理上解决了OOP问题；大批量生产以后，气囊模块总成会在成本和质量上大幅降低。

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