新型车用吸气式安全气囊的分析

摘要：针对传统式安全气嚢在车辆碰撞后具有高温高压的风险，可能会给乘员造成致命的损伤且因火药用量大会产生有害

气体的问题，研究了一种新型吸气式安全气嚢。主要对新型吸气式安全气嚢的优点、发展历程、工作原理、物理模型及影响吸 气式安全气嚢吸气效果的关键因素进行了阐述。通过分析可知，新型吸气式安全气嚢降低了充气温度，缩短了充气时间，可 以更好地保护乘员。该研究将进一步推动新型吸气式安全气嚢的发展。

关键词：吸气式气囊；吸气比;安全保护;计算流体力学

Abstract： Focused on the problem that the traditional airbag has the high temperature power and high pressure after the

collision of vehicles, it may cause fatal injury to the occupants, and the dosage of propellant is large and harmful gas is generated. This paper introduces a new type of aspirated air bag. For the new aspirated air bag, the main advantages, the development history, working principle, physical model and key factors that affect the new aspirated air bag is discussed in the paper. The analysis shows that the new aspirated air bag decreases charging temperature, shortens charging time, which can guarantee the occupants safety. Therefore, this research will further promote the development of new aspirated air bag.

Analysis on a New Type of Vehicle Aspirated Airbag^

Key words： Aspirated air bag; Aspirated ratio; Security protection; CFD

汽车用安全气囊的应用提高了汽车的碰撞安全 量并降低引爆后的充气温度，具有充气温度低和攻击 性，但也存在较大安全隐患。气囊以爆炸般的速度弹 性弱等突出优点，可弥补传统式安全气囊的缺点。出，对离位乘员及儿童可能产生严重伤害;气体发生器 2所产生的充气气体温度高达200〜300 °C，会灼伤乘员 面部[1-]，因此，研究开发一种经济而又更安全的新型汽 气时间较长以及充气爆炸时可能对人体造成灼伤的缺 点，文章研究了新型吸气式安全气囊。

新型吸气式安全气囊研究历程

在新型吸气式安全气囊的发展过程中已有多位专

家学者对其进行了基础性的研究分析，如文献[4-5]曾 以近声速或者超声速的速度喷流出口的黏性流场。在 20世纪80年代，文献[6-9]分别发展运用了数值模拟、flux-splitting 法、the lower-upper implicit 方法、LU fac­

车气囊成为汽车业界的需求。针对传统式安全气囊充 用Euler及Navier-Stokes(纳维叶-斯托克斯)方程求解

1新型吸气式安全气囊介绍

新型吸气式安全气囊是指吸气式充气器利用引爆 torization scheme 等方法对近声速扩散的黏滞流场和非 火药后瞬间产生的高速气流造成康达效应，产生负压 黏滞流场进行求解，并用试验测试验证，都得到了较好

在20世纪90年代，文献[10-13]使用模式 区域来将外界周围的空气吸人气囊内，并与引爆后的 的效果。

氮气进行充分混合，以快速充人气囊，从而可以增加充 研究了轴对称与非轴对称的可压缩与不可压缩紊流场 气的气体质量流率，缩短充气时间。周围的空气成为了 进人安全气囊的主要充气源，因此可以减少火药使用

基金项目：长沙市科技发展专项资金及科技计划项目（kql602008)

有极佳的结果，因为高压气体经喷嘴加速后流人充气 管与吸人的低气压混合，使流场形成紊流模式。在

—技术聚焦FOCUS_________Eng^fr汽车工g师____________________2018年2月

技术看点

2002—2011年，文献[14-17]利用计算机数值分析方法 作用过程中内部压力的变化。及流场数值计算Fluent软件对吸气式充气器进行设计 与模拟分析，分析了吸气式安全气囊系统中流场振波 效应、吸气口温度、高压人口压力以及不同几何尺寸参 数对吸气效率的影响。新一代吸气式安全气囊系统的 概念由美国安全气囊创始人之一的David Breed先生 在其专利中提出[18]，其后，经与台湾创盟科技股份有限

公司合作，在2013年对开发出的首个样件在中国第一 汽车集团公司技术中心进行了试验。

由于影响吸气式安全气囊吸气效率的因素较多， 主要包括吸气式充气器的尺寸、喷嘴的几何形状、喷嘴 喷人的流场速度、周围环境的温度和压力以及喷嘴的 安装位置等，因此需要针对这些关键因素进行深人研 究分析并加以探讨。

3吸气式安全气囊的工作原理

吸气式充气器将引爆后的高压气体经喷嘴以近声

速或者超声速的紊流流场喷出，则在其周围会形成低 压区域，从而吸引外界的冷空气通过进气道进人气囊， 与引爆后的高温高压气体进行混合，传递能量，达到降 温的效果，并快速充人气囊，从而可以增加充气的气体 质量流率。根据康达效应，高压气体经由喷嘴加速成超 声速气流时，会产生局部真空区域，使高速气流紧贴壁 面，外界周围的空气可以顺利流人。

吸气比是指吸人外界的空气质量流率与高压引爆 的气体质量流率的比值。吸气比是衡量吸气式安全气 囊充气效果的重要指标，当吸气比较大时，表示从外界 吸人的空气占进人气囊总气体量的比例较高，则通过 火药引爆后产生的气体比例就小。因此在总气体量一 定的情况下，混人较多的外界空气量使气囊充气展开 时的温度较低，减少了对乘客的灼伤伤害。

吸气量的多少是影响安全气囊能否在合适时间内 完全展开并有效保护乘员的重要因素，传统式安全气 囊在引爆火药后的充气时间一般为45〜50 ms展开速 度较慢，乘员可能会在气囊没有完全展开时与之接触， 导致乘员严重受伤[19]。而新型吸气式安全气囊采用多 腔引爆的方式，在气囊弹开的瞬时吸人外界的空气与

引爆后的气体一起充人气囊，可缩短气囊弹开的时间； 在充气的过程中，以低温低压的外界空气与引爆的气 体的混合气充气，降低充气温度，改善充气时间，来更 好地保护乘员。

新型吸气式安全气囊在展开的过程中同传统式安 全气囊一样，同样经历气囊弹开阶段、气囊充气阶段以 及乘员与气囊接触得到保护的阶段，图1示出气囊起

4吸气式充气器的物理模型

吸气式充气器的物理模型，如图2所示。吸气式充

气器可根据安装的位置设计为圆筒状或碟形，在圆筒 状的充气器内，爆炸后的高压气体由侧边的环状沟槽 喷嘴喷人气囊，外界空气通过中央进气管被吸人并与 高压喷射气体混合成低温度的气体，然后流出充气器

的出口迅速充人气囊。

对称轴

a二维图形

根据实际应用安装的空间及为安全气囊提供足够 的充气量，研究侧边的环状沟槽喷嘴间隙宽度为2 mm 或1 mm,中央进气道直径为28 mm或29 mm,喷嘴喷射

的角度为10,15,20°的吸气式充气器充气效果与流场 分布情形，以符合实际应用的要求。吸气式充气器的喷嘴几何参数对吸气效率的影响 重大，喷嘴出口流场是一个极其复杂的高速紊流流场， 可将模型假设为轴对称形式，气体假设为理想气体，对

不同几何参数组合的吸气式充气器的参数设定，如表1 所示，然后进行仿真计算。

第2期_______________________汽车工g师______________FOCUS I技^术Feature

表1

不同几何参数组合的吸气式充气器

喷嘴间隙/mm

喷嘴角度/(°)

吸气管直径/mm

11029115291202921028215282

20

28

根据文献[1-17]模拟计算仿真所得的结论为：1) 高压气体喷人的压力大小会影响到吸人外界周围的空 气质量流率，喷人的压力越大则吸人外界的空气质量 流率就越大，因此总的进气质量流率越大。2)外环形侧 边槽宽与吸人空气的中心通道直径的比值较大时，则 有较大的总进气质量流率;如果该比值较小，则有较佳 的吸气比；因此，此值对气囊的充气状态影响重大，需 要根据实际的气囊保护效果来进行最佳设计。3)由数 值仿真结果可以得到，吸人外界的空气质量流率为引 爆后喷人的高压气体质量流率的2〜5倍，吸气比的效 果很好。4由于引爆后的高压气体经过喷嘴加速后喷 人气囊，在接近壁面处产生康达效应，使充气器内部形 成低压区，因此可以吸人外界的空气。5)由数值仿真分 析可知，高压气体喷人的角度对总气体质量流率及吸 气比的影响较小。

5结论

文章主要介绍了新型吸气式安全气囊的工作原

理、发展历程、物理结构模型及结构参数。由于其吸气 过程是高压气体经喷嘴以近声速或者超声速的紊流流 场喷出，会形成局部的低压区域，从而吸引外界的冷空 气通过进气道进人气囊，故充气器的结构参数(主要包 括喷嘴与进气道的尺寸大小、引爆的高压气体喷人进 气道的角度及气体喷人的压力和速度)对吸气比、吸气 量、压力分布及速度分布等吸气效果有严重的影响。同 时，新型吸气式安全气囊在充气过程中，以低温低压的 外界空气与引爆的高温高压气体的混合气充气，降低 了充气温度，缩短了充气时间，可以更好地保护乘员。 因此，新型吸气式安全气囊将具有广阔的实际应用价 值。文章的研究将进一步推动新型吸气式安全气囊的 发展。下一步计划利用计算流体力学软件对不同几何 参数组合的吸气式充气器进行仿真计算，设计结构更 合理的吸气式充气器，使之达到更好的充气效果。

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(收稿日期：017-12-12)

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