本发明涉及基于利用普朗特-迈耶效应的超音速流动的低成本的抽吸气囊系统。本发明还涉及一种利用普朗特-迈耶效应来改善充气特性和性能的吸气式充气机组件。
背景技术：
已经开发了几种吸气安全气囊系统，其中包括使用亚音速流的吸气器和匡达效应。当用作气源的高压气体的压力小于几个大气压，在选择不超过3或5个大气压的压缩气体为气体源时，匡达效应很好。在较高的压力下，气体不能遵循预期的匡达剖面，因此不能发生吸气，高压气体可能会不按照需要地流出吸气器的开口而开口外低压环境气体应该进入吸气口却进不来。特别是，如果匡达喷嘴的压力源超过几个大气压，则大致垂直于吸气器轴线注入的源气体不能遵循匡达壁曲率，从而停止吸入大气中的空气。这显着地限制了可以使用的气体压力
另一方面，用于传统安全气囊的烟火气体发生器能够产生数十至数百个大气压强的气体压力，并且如果寻求与匡达效应一起使用，则必须节流，基本上会浪费大部分气体发生器气体的能量。
此外，当使用匡达效应时，进入气囊的压力可以低至1或2psi，而根据本文所述的设计，基于超音速流和普兰特迈尔效应，可以显着提高可用压力。为了打开气囊盖并展开气囊，需要3至6psi的压力。此外，由于更多的能量可用，prandtl-meyer效应导致更高的吸气比。因此，本发明的吸气式气体发生器设计解决了先前使用匡达效应设计产生的问题。
感兴趣的现有技术包括在美国专利中，专利号6,142,516,7,703,395,7,748,737和7,762,580，美国专利，公布专利号no.20070284863。
技术实现要素：
在涉及车辆的事故期间，用于安全气囊的一种吸入式气体发生器部署到车辆乘客/驾驶室以保护车辆的驾驶员或乘客，这种吸气式发生器包括壳体，该壳体包括外壁和内壁并在近端设定一个入口，出口的一端设定在通向安全气囊的远端处，以及流动通道，来自内部车辆内的空气流动到所述流动通道中，以使气囊膨胀。吸气系统联接到壳体并且构造成将气体引导到流动通道中以与来自流动通道中的车内空间的空气混合。吸气系统包括具有一个或多个开口的内壁。这些开口最好设计成引导气体从这些开口进入气体通道，所述通道基本上与进入通道的气体流动方向平行。高压气体以超音速流动并以与内壁的表面相互作用的方式使得流动带进来的气体填充流动通道的横截面区域
本发明可以以至少两种形式来实现。在一个实施例中，高压气体通过内壁上的单个周向狭缝进入中央吸气室，而在另一个实施例中，狭缝由内壁上的多个离散喷嘴代替。本公开示出了狭缝和喷嘴几何形状。
对上述被优先选择的系统提供许多添加和修改是可能的，并且将在下面描述这些许多可能的修改，并且在阅读本说明书之后，其他的方案对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
附图说明
以下附图是本发明的实施例的说明，并不意味着仅限于权利要求所包含的本发明的范围。
图1是安装在方向盘上的本发明的驾驶员安全气囊模块的透视图。
图2是图1所示模块的俯视图。
图3是沿着图2中的线3-3截取的模块的横截面图。
图4是图1所示模块的俯视图。没有盖板和安全气囊。
图5是如图4所示的模块的侧视图。
图6是如图4所示的模块的截面图。
图7是图4所示模块的透视图。
图8是图1所示模块中使用的逆流阀薄膜的透视图。
图9是图1所示模块的吸气器的透视图。
图10是图9中所示吸气器的透视截面图。
图11是图9所示的吸气器的剖视图。
图12是图9所示的吸气器的局部剖视图。
图13是图1所示模块的吸气器的另一个实施例的顶部透视图。
图14是图13中所示的吸气器的底部透视图。
图15是图13所示的吸气器的剖视图。
图16是图12所示的吸引器的局部截面图。
图17是图1所示模块中的普朗特-迈耶狭缝的放大视图。
图18是图1所示模块中的普朗特-迈耶狭缝周围的吸气器部分的放大图。
图19和20说明了普朗特-迈耶流动的原理。
图21是穿过吸气器的输出端的流体速度曲线。
图22是吸气器输出端流体密度的曲线图。
图23是吸气器输出端的流体静压的曲线图。
图24是抽吸器输出端流体马赫数的曲线。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记指代相同或相似的元件，本发明的驾驶员侧安全气囊模块的俯视透视图在图1中大体上以10示出。模块10包括吸气装置或吸气装置12，其具有壳体14，位于壳体14的底端或底端区域的吸气装置逆流阀16，使得吸气装置12位于逆流阀16的上方，模块沿着顶端区域(图2)覆盖安全气囊20的覆盖组件18，在方向盘24上支撑模块10的支撑连接结构22，以及限定吸气器12内的空气入口的吸气器入口部分26盖板组件18包括连接到吸气器12并容纳安全气囊20的壳体。
壳体14具有带有两个大致圆柱形表面区域的外表面和具有可变横截面的内表面或壁，所述内表面或壁在相对的端部区域之间限定单个流动通道28。吸气器入口部分26也被称为吸气器12的入口部分，并且在朝向顶端区域的方向上具有变窄的横截面。外壳14是环形的，意味着它围绕通道28，尽管它不是必需的管状，圆形的横截面或圆柱形。如图所示，壳体14具有两个不同直径的圆柱形部分。
来自环境大气(例如车辆乘客舱)的空气被设计成在使用期间流过逆流阀16进入并穿过部分由吸气器入口部分26限定的通道28以与来自气体发生器的气体混合(引起吸气)混合的气体和空气然后流过通道28的剩余部分进入气囊20，气囊20的内部与通道28流动连通，由壳体14的内壁限定。
模块10和吸气器12的一些元件在图1-3中未被指定。例如环形气体发生器组件，但在其它附图中出现和描述。
图4-8示出了没有某种结构的模块10的更多细节，例如盖板18和安全气囊20。模块10在与安全气囊20和方向盘24组合时被称为安全气囊和方向盘组件30。模块10还包括气体发生器组件32，点火正负电极34，吸气器扩散器36，吸气器螺钉38和金属连接件40。气体发生器组件32可以是圆柱形的组件。
吸气器12包括吸气扩散器36，吸气扩散器36具有向内渐缩的内表面或壁，具有均匀的圆柱形部分，然后向外扩张(并且也被称为吸气器12的吸气部分)。螺丝38将吸气扩散器36连接到入口部分26。入口部分26在朝向顶端区域的方向上具有变窄的横截面。来自周围大气(例如车辆乘客舱)的空气被设计成在使用期间流过逆流阀16进入并穿过入口部分26到达由吸气器扩散器36限定的区域。
吸气器12使用prandtl-meyer效应。以前的吸气器通常利用匡达效应，其吸气效果不佳，本发明显著地改善了这种吸气限制。旨在利用prandtl-meyer效应的喷嘴不会受到气源压力限制的影响。通过使用更高的压力，进入安全气囊20的组合气流可以在更高的压力下提供显著更大的压力，从而为打开盖板8和初始展开安全气囊20提供明显更多的压力。这也为安全气囊20提供了更多的考虑压力的设计宽容度。例如，使用匡达效应，即使高达3psi的气囊压力也难以达到，而普朗特-迈耶效应压力超过6psi是容易实现的。
模块10使气囊20充气的操作如下。气体发生器组件32在通过连接到气体发生器组件32的触发电极34(统称为激活系统)接收到来自气囊传感器和诊断模块(未示出)的信号之后开始产生气体。然后，气体发生器组件32开始通过周向狭缝42引起充气气体的喷射，参见图3。环形气体发生器组件32可以是使来自通道28周围的所有位置的气体流动的气体发生器，如产生的气体的环形幕帘。因此，气体在通道28周围的所有位置基本上同时从狭缝43射出。
狭缝42被限定在入口部分26和吸气扩散器36之间，狭缝42被构造成当由螺钉38连接在一起时限定该狭缝42。由于普朗特-迈耶流动效应，来自狭缝42的射流流出气体附着到吸气扩散器36(内表面)并在通道28上扩散。高速气流在通道28中的狭缝42之后形成低压区域。同时，逆流阀16通过环境吸入气流查看逆流阀16的相对侧之间的压力差)。逆流阀16包括初始关闭的挡板44，关闭主通道，并且当气体开始从气体发生器组件32流出时，由于狭缝42后面的压降而打开。因此，环境空气将被吸入到内部吸气器12通过由逆流阀16限定的至少一个入口端。
吸气器12包括两部分，吸气器扩散器36和具有倒流阀16的入口部分26(其可以是如图8所示的具有翼片44的膜)。入口部分26的轮廓与吸气器入口通道相啮合。逆流阀16允许吸气的环境仅在一个方向上流动，即填充安全气囊20。在安全气囊20被填充并且安全气囊20中的压力达到设计值(例如3psi)之后，气体停止进入安全气囊20，逆流阀16关闭。该气囊压力将使挡板44返回到其初始位置。当乘客在碰撞期间压住安全气囊20时，来自安全气囊20的气体通过逆流阀16的中心的孔口46流出。该孔口46的横截面可以与通常存在于司机安全气囊的通气孔相对应。
逆流阀16最好由柔韧材料制成，例如但不限于塑料薄膜或织物。通过切割材料形成一个或多个折片60，例如在图8中的四个折片。类似地，翼片46通过切割中心的材料而形成，并且还可能导致在中心存在较薄的区域。
最初，逆流阀16保持短时间关闭，直到达到足够的压力以打开盖板18为止。然后，逆流阀16打开，允许气体被吸入通道28，从而提供气囊充气所需的气流。当流量达到足够的压力时，盖板18打开，安全气囊20开始展开。处于折叠初始状态的气囊20连接到吸气器扩散器36的表面。在气囊20被填充并且气体发生器组件32中燃烧剂产生的气体全部用完之后，逆流阀16返回到其初始位置并且将气体保持在气囊20内。
当气体产生开始时逆流阀16关闭，如果盖板18不能打开，则气体可以通过节流孔46流出。当乘员身体抵住盖板上时(oop，非正常接触情形)，这种情况可能会发生。在这种情况下，安全气囊20将不会展开，从而保护乘员免受伤害。在气囊20膨胀时逆流阀16关闭之后，孔46提供合适的流动阻力以控制乘员在碰撞期间的运动。因此，孔46代替气囊中的一个或多个孔。
现在参照图9-12所示，内部吸气器轮廓可以分成至少三个部分，由入口26限定的入口部分48，由吸气扩散器34限定的圆柱形部分50以及也由吸气扩散器36限定的扩散器部分54(图11)。
吸气扩散器36因此包括圆柱形部分50和扩散器部分52。入口部分48的壁可以具有弯曲的或直的轮廓。如图所示，由于该部分连接到包含逆流阀16的入口部分24，因此是直的。圆柱形部分50的长度由例如通过仿真建模确定的喷气动力学参数限定。这也取决于气体发生器组件32的角度和性质。扩散器部分52可以具有不同的扩散器角度，并且可以在端部处具有不同的长度，如可以在图12中看到的那样。另一个壁部分54位于狭缝42的旁边，并且可以包括两个在其间具有弯曲点的圆周部分。
狭缝42和限定超过狭缝42的通道内壁的形状(即，吸气扩散器36的狭缝邻接，圆柱形和扩散器部分50,52的轮廓)被设计成获得普朗特-迈尔效应。如图11所示，当通过螺钉38连接时，狭缝轮廓由吸气器12(入口部分26和吸气扩散器36)的两个部分形成。
圆柱形气体发生器组件32容纳在环形室56中，环形室56具有平滑的轮廓58，没有尖锐的边缘，如图18所示。基本狭缝参数是狭缝42的宽度，两个钝角60，62和尖锐边缘64相对于第二角度62(参见图17)的位置。组合的角度决定喷射方向，展开和位置。当气体从扩散器狭缝中射出时，角度60，62的设计是保持喷射气流附着在吸气器壁部分54(吸气器扩散器36的内表面)上。射流的附着可以通过仅使用一个角度来实现，但是在这样一来，压力降低后射流将离开附着壁的表面。而这是无法在狭缝设计中设计两个角度得以兼顾的。
图13-16示出了一个实施例，其包括离散的分开的喷嘴66来代替单个周向狭缝42。围绕限定外壳14中的通道28的内壁周围的这些喷嘴66的数量，尺寸和位置可以使用诸如计算流体力学建模。在确定喷嘴66的参数时要考虑的其他因素对于本发明所属领域的技术人员来说是已知的。喷嘴66具有制造精确的孔(每个构成一个喷嘴)有比围绕圆周狭缝更容易保证精确的优点。除此之外，用于包括喷嘴66的气囊的吸气模块的操作与包括狭缝42的吸气模块的操作基本相同。当使用喷嘴并且使用不同的气体发生器装置时，可以不使用环形气体发生器装置32，例如多个的气体发生器，每个喷嘴66一个。
冲击波和扩展风扇之间有一些明显的区别。在冲击波的作用下，马赫数减少，静压增加，总压损失，因为这个过程是不可逆的。通过扩展风扇，马赫数增加，静压降低，总压保持恒定。膨胀扇是等熵的。
持续增加速度的超音速气流(或普朗特-迈耶流动)为了优化吸气器10的使用，气体发生器组件32被设计成在气体离开狭缝42(或多个喷嘴66)时引起气体的超音速流动。从狭缝42出来的亚音速气流不太可能提供所希望的吸气效果。例如，气体发生器组件32可以被配置成产生和输出至少100psi，或者至少150psi(10大气压或10巴)，或者至多大约100巴(1500psi)的压力的气体。气体发生器组件32，狭缝42以及它们之间的壁结构的设计还影响在42的出口处的气体压力，因此可以设计这些部件以在狭缝42的出口处提供超声速流。本领域的技术人员根据本文的公开将理解如何实现这一点。
考虑超音速气体流动的最简单形式：平移均匀流动。在这个流动中，所有的气体粒子以平行的速度匀速移动。颗粒的轨迹同时是流线，不透气。
如果气流没有遇到固体颗粒或边界(墙壁)形式的障碍物，则气体不会受到任何干扰。可能改变均匀平移气流特性的最简单的边界是图19中的直壁68。
当壁68平行于流动方向布置时，即其与流线之一重合时，并且如果运动气体占据壁68上方的所有无限空间并且壁68本身的长度也是无限长的，则清楚的是，这种情况下壁68对气流没有任何影响(粘度的影响可以忽略)。应该注意的是，这种说法在曲线流线的一般情况下也是有效的，如果壁68与曲线流线重合，则也不会影响气体的流动。
如果在图20中的某个壁点70处，，有一个障碍，会造成均匀流动的微弱扰动。这样的干扰会以直线特性(压力或密度)参数在均匀的超音速流中传播。这个分量与速度方向相结合得到一个角度α0，由该条件决定
sinα0＝1/m
其中m是马赫数。这个角度α0被称为弱干扰传播角度。
图17和18是根据prandtl-meyer的原理设计的狭缝42的详细视图，其中尺寸信息以毫米为单位。以超音速流动的气体从图17中标记为vs的狭缝42流出。在从狭缝42出来时，气体射流以约30°的角度流过在吸气扩散器36的内壁上(在与狭缝邻接的壁部分54上)限定的第一弯曲点72，该角度位于ys和xs轴的开始。在这个钝角弯曲角度74处，喷射气流偏离角度αs。当超音速喷流围绕钝角74流动时，气体膨胀，因为气体占据的面积增加，在这种膨胀的情况下，气体被加速，正如普朗特-迈耶原理解释的那样。这个膨胀扇是一个无限的膨胀波，每一个流动等熵，旋转一个小角度。扩展扇从平面ys开始，在平面a处结束。矢量vs通过平面a后变为v0(vs<v0)，沿着壁面的气体速度再次变得恒定。狭缝邻接壁部分54在狭缝42的扩展点附近的起点与弯曲点72之间具有直线部分，并且在弯曲点72和76之间具有另一直线部分。直线壁围绕外壳14的周边延伸吸气器12。
限定在吸气扩散器36的内壁(邻近狭缝的壁区段54和圆柱形壁区段50之间)的弯曲点76是产生气流中弱干扰源的障碍物。这些扰动以均匀的流动通过直线b传播，该直线将未受干扰的气流与扰动的气流分开。第二膨胀扇(弯曲点76)涉及轴线x和y。这意味着由于流过角度78而引起的气体特性的扰动在b'的下一直线也是恒定的。这意味着从弯曲点76出来的所有分开确定的特征是直线的。因此，流动转向新的方向，并在两个直线特征之间的角度b-b'(80)内进行。为了更清楚地说明，连续的气体膨胀区域可以被分成较小但连续变化的参数的较大的区域。
速度和压力的第一次冲击发生在平面b之后的平面中。由于压力减小，并且根据冲击理论，与平面b相关的法向速度分量增加。此外，由于切向速度分量的不变性，流量略微改变方向，偏离冲击平面。
射流通过冲击平面b后速度增加，气体的压力，密度和温度略有下降。从较低压力区域扩散的扰动(这次应该由新的平面b'限制)是由于气流偏转和马赫数增加引起的，位于平面b的右侧。
第二次冲击与平面b'结合，导致新的气流偏向v1矢量方向，并随着速度增加同时发生气体膨胀。气体速度v1假设为大于v0的恒定值(在弯曲点76之前)，即沿着壁82。壁82是吸气扩散器36的圆柱形部分50的内壁或表面。
如果靠近壁的气流与部分50的吸气器圆柱形壁部分平行，则流动转向将结束。因此，在壁附近，速度矢量平行于圆柱形壁部分。
众所周知，单独的绝热膨胀冲击是不可能的。然而，将角度78分成无穷多个无限小的角度，将基于上面讨论的理论(弱冲击)导致连续的气体膨胀扇；而不是有限数量的弱冲击，将获得无数具有普朗特-迈耶特性的膨胀扇效应。
因此，具有相关的气体膨胀(压力降低)的钝角78附近的流动偏差可以被描述为一系列弱干扰，其来源是角度78的尖锐边缘。
具有设计各种喷嘴能够产生超音速气流的吸气器基本方案的可操作性验证以及它们在吸气器混合室中的位置是基于超音速气流在由普朗特-迈耶函数确定的偏离角度的流动能力。
普朗特-迈耶(prandtl-meyer)函数作为产生高速流动气体的吸气器设计的一个要素，允许将超声速流动参数与喷嘴-混合室连接处的几何形状联系起来考虑。
对于一个平面的稳定流动，超音速流速度矢量的角度在一个角落处由prandtl-meyer函数根据马赫数决定：
在出现的膨胀扇中，介质的热力学参数描述如下：
扩展扇角等于
prandtl-meyer函数描述了在混合室的另一壁没有影响的情况下理想多变气体的平面流中超声速流的热力学参数。
当喷嘴位于轴对称式吸气器的外壁时，平面膨胀波受吸气器对称轴方向收敛特性线的影响，衰减负压。当喷嘴位于内部时，发散特征线增加了负压。
请注意，提供高速气流的吸气器中的流动是不稳定的。
因此，基于prandtl-meyer函数的评估是对吸气器物理过程的初步近似解释，并为吸气器设计的进一步发展提供了方向。虽然这样一个吸气系统可以通过试验和误差实验来开发，但是这个过程可能是漫长而乏味的，因此推荐在计算流体动力学上使用数学建模。
考虑到吸气器内部实际流动的特性(粘性，湍流)，为了优化吸气器设计，以下方程组被求解：
we＝vx+vyfy+vzfz
图19显示了从prandtl-meyer函数得出的特征线处的计算速度矢量。位置84表示作为超声速流动中产生干扰原因的弯曲角度。
在
在prandtl-meyer流动中，这些参数不会沿着径向线改变；他们从一条线转移到另一条线。实线对应于角度0处的特性，虚线对应于1处的特性。
计算表明，在从性质0到性质1的转变过程中，性质随着减压和马赫数的增加而变化，但是这些性质并不保持一致。这是基于prandtl-meyer流程的原理。
图。图21示出了基于prandtl-meyer函数在弯曲点76处开始的沿着线b和b'的速度变化。速度(m/s)的大小是纵轴，位置(m)是横轴。实线是角度a0处的特征线，虚线是角度a1处的特征线。
图。图22示出了基于prandtl-meyer函数在弯曲点76处开始的沿线b和b'的密度变化。密度(kg/m3)是垂直轴，位置(m)是水平轴。实线是角度a0处的特征线，虚线是角度a1处的特征线。
图。图23示出了基于prandtl-meyer函数在弯曲点76处开始的沿线b和b'的静态压力变化。静压(atm)是垂直轴，位置(m)是水平轴。实线是角度a0处的特征线，虚线是角度a1处的特征线。
图24示出了基于prandtl-meyer函数在弯曲点76处开始的沿着线b和b'的马赫数变化。马赫数是垂直轴，位置(m)是水平轴。实线是角度a0处的特征线，虚线是角度a1处的特征线。
通过以上描述的任何一种或多种不同构造的结构，获得了本发明的主要目的，包括但不限于：
1.提供一种气囊系统，该系统在当驾驶员压住气囊盖板时停止向气囊充气，从而充分减少了由于气囊展开而导致的乘员受伤。
2.通过消除使用很大比例的产生气体的火药来提供成本非常低的安全气囊系统，从而显著减小气囊的尺寸和成本并提高气体发生器的安全性。
3.通过消除对卫星(撞击区)碰撞传感器的需求，提供成本非常低的安全气囊系统。
4.当药剂燃烧产物含有二氧化碳等污染物时，充分稀释气体发生器产生的燃烧产物，使得气囊展开后的环境对正常呼吸影响很小。
5.通过友好的无伤害吸气式安全气囊消除对判别乘员类型传感器的需求。
从上述优选实施例的详细描述中，其他目的和优点可以变得显而易见。
以上公开的本发明的优选实施方式包括：
这个申请涉及美国专利号如下5,505,485，5,653,464，5,684,701,5,746,446，5,772,238，5,863,068,6，149,194，6,175,787，6,179,326，6,234,519，6,250,668，6,326,704，6,328,126，6,410,265，6,484,080，6,532,408，6,533,316，6,905,135，7,040,653，7,481,453，7,744,122和7,820,566中，所有这些专利都通过引用并入本文，以及作为这些专利之一发布的前一代申请或继续申请的任何申请。
此外，上面提到的任何申请，出版物和专利通过引用整体并入本文，并作为其一部分。
虽然以上示出和描述了几个优选实施例，但是对于执行相同功能的组件，可以使用其他几何形状，传感器，材料和不同尺寸的组合。这里公开的发明不限于上述实施例，并且应该由以下权利要求确定。除上述之外，还有许多额外的应用。在考虑本说明书和公开其优选实施方式的附图之后，本发明的许多变化，修改，变化和其他使用和应用对于本领域技术人员将变得显而易见。不脱离本发明的精神和范围的所有这些改变，修改，变化和其他用途和应用被认为由本发明所涵盖，本发明仅由所附权利要求来限定。