新型車用吸氣式安全氣囊的分析*

宋志強 曹立波 喻志強

（湖南大學(xué)；汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室）

汽車用安全氣囊的應(yīng)用提高了汽車的碰撞安全性，但也存在較大安全隱患。氣囊以爆炸般的速度彈出，對離位乘員及兒童可能產(chǎn)生嚴重傷害；氣體發(fā)生器所產(chǎn)生的充氣氣體溫度高達200～300℃，會灼傷乘員面部[1-3]，因此，研究開發(fā)一種經(jīng)濟而又更安全的新型汽車氣囊成為汽車業(yè)界的需求。針對傳統(tǒng)式安全氣囊充氣時間較長以及充氣爆炸時可能對人體造成灼傷的缺點，文章研究了新型吸氣式安全氣囊。

1 新型吸氣式安全氣囊介紹

新型吸氣式安全氣囊是指吸氣式充氣器利用引爆火藥后瞬間產(chǎn)生的高速氣流造成康達效應(yīng)，產(chǎn)生負壓區(qū)域來將外界周圍的空氣吸入氣囊內(nèi)，并與引爆后的氮氣進行充分混合，以快速充入氣囊，從而可以增加充氣的氣體質(zhì)量流率，縮短充氣時間。周圍的空氣成為了進入安全氣囊的主要充氣源，因此可以減少火藥使用量并降低引爆后的充氣溫度，具有充氣溫度低和攻擊性弱等突出優(yōu)點，可彌補傳統(tǒng)式安全氣囊的缺點。

2 新型吸氣式安全氣囊研究歷程

在新型吸氣式安全氣囊的發(fā)展過程中已有多位專家學(xué)者對其進行了基礎(chǔ)性的研究分析，如文獻[4-5]曾用Euler及Navier-Stokes（納維葉-斯托克斯）方程求解以近聲速或者超聲速的速度噴流出口的黏性流場。在20世紀80年代，文獻[6-9]分別發(fā)展運用了數(shù)值模擬、flux-splitting法、the lower-upper implicit方法、LU factorization scheme等方法對近聲速擴散的黏滯流場和非黏滯流場進行求解，并用試驗測試驗證，都得到了較好的效果。在20世紀90年代，文獻[10-13]使用k-ε模式研究了軸對稱與非軸對稱的可壓縮與不可壓縮紊流場有極佳的結(jié)果，因為高壓氣體經(jīng)噴嘴加速后流入充氣管與吸入的低氣壓混合，使流場形成紊流模式。在2002—2011年，文獻[14-17]利用計算機數(shù)值分析方法及流場數(shù)值計算Fluent軟件對吸氣式充氣器進行設(shè)計與模擬分析，分析了吸氣式安全氣囊系統(tǒng)中流場振波效應(yīng)、吸氣口溫度、高壓入口壓力以及不同幾何尺寸參數(shù)對吸氣效率的影響。新一代吸氣式安全氣囊系統(tǒng)的概念由美國安全氣囊創(chuàng)始人之一的David Breed先生在其專利中提出[18]，其后，經(jīng)與臺灣創(chuàng)盟科技股份有限公司合作，在2013年對開發(fā)出的首個樣件在中國第一汽車集團公司技術(shù)中心進行了試驗。

由于影響吸氣式安全氣囊吸氣效率的因素較多，主要包括吸氣式充氣器的尺寸、噴嘴的幾何形狀、噴嘴噴入的流場速度、周圍環(huán)境的溫度和壓力以及噴嘴的安裝位置等，因此需要針對這些關(guān)鍵因素進行深入研究分析并加以探討。

3 吸氣式安全氣囊的工作原理

吸氣式充氣器將引爆后的高壓氣體經(jīng)噴嘴以近聲速或者超聲速的紊流流場噴出，則在其周圍會形成低壓區(qū)域，從而吸引外界的冷空氣通過進氣道進入氣囊，與引爆后的高溫高壓氣體進行混合，傳遞能量，達到降溫的效果，并快速充入氣囊，從而可以增加充氣的氣體質(zhì)量流率。根據(jù)康達效應(yīng)，高壓氣體經(jīng)由噴嘴加速成超聲速氣流時，會產(chǎn)生局部真空區(qū)域，使高速氣流緊貼壁面，外界周圍的空氣可以順利流入。

吸氣比是指吸入外界的空氣質(zhì)量流率與高壓引爆的氣體質(zhì)量流率的比值。吸氣比是衡量吸氣式安全氣囊充氣效果的重要指標，當吸氣比較大時，表示從外界吸入的空氣占進入氣囊總氣體量的比例較高，則通過火藥引爆后產(chǎn)生的氣體比例就小。因此在總氣體量一定的情況下，混入較多的外界空氣量使氣囊充氣展開時的溫度較低，減少了對乘客的灼傷傷害。

吸氣量的多少是影響安全氣囊能否在合適時間內(nèi)完全展開并有效保護乘員的重要因素，傳統(tǒng)式安全氣囊在引爆火藥后的充氣時間一般為45～50 ms，展開速度較慢，乘員可能會在氣囊沒有完全展開時與之接觸，導(dǎo)致乘員嚴重受傷[19]。而新型吸氣式安全氣囊采用多腔引爆的方式，在氣囊彈開的瞬時吸入外界的空氣與引爆后的氣體一起充入氣囊，可縮短氣囊彈開的時間；在充氣的過程中，以低溫低壓的外界空氣與引爆的氣體的混合氣充氣，降低充氣溫度，改善充氣時間，來更好地保護乘員。

新型吸氣式安全氣囊在展開的過程中同傳統(tǒng)式安全氣囊一樣，同樣經(jīng)歷氣囊彈開階段、氣囊充氣階段以及乘員與氣囊接觸得到保護的階段，圖1示出氣囊起作用過程中內(nèi)部壓力的變化。

圖1 吸氣式安全氣囊工作過程中內(nèi)部壓力變化曲線圖

4 吸氣式充氣器的物理模型

吸氣式充氣器的物理模型，如圖2所示。吸氣式充氣器可根據(jù)安裝的位置設(shè)計為圓筒狀或碟形，在圓筒狀的充氣器內(nèi)，爆炸后的高壓氣體由側(cè)邊的環(huán)狀溝槽噴嘴噴入氣囊，外界空氣通過中央進氣管被吸入并與高壓噴射氣體混合成低溫度的氣體，然后流出充氣器的出口迅速充入氣囊。

圖2 吸氣式充氣器結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)實際應(yīng)用安裝的空間及為安全氣囊提供足夠的充氣量，研究側(cè)邊的環(huán)狀溝槽噴嘴間隙寬度為2 mm或1 mm，中央進氣道直徑為28 mm或29 mm，噴嘴噴射的角度為10，15，20°的吸氣式充氣器充氣效果與流場分布情形，以符合實際應(yīng)用的要求。

吸氣式充氣器的噴嘴幾何參數(shù)對吸氣效率的影響重大，噴嘴出口流場是一個極其復(fù)雜的高速紊流流場，可將模型假設(shè)為軸對稱形式，氣體假設(shè)為理想氣體，對不同幾何參數(shù)組合的吸氣式充氣器的參數(shù)設(shè)定，如表1所示，然后進行仿真計算。

表1 不同幾何參數(shù)組合的吸氣式充氣器

根據(jù)文獻[15-17]模擬計算仿真所得的結(jié)論為：1）高壓氣體噴入的壓力大小會影響到吸入外界周圍的空氣質(zhì)量流率，噴入的壓力越大則吸入外界的空氣質(zhì)量流率就越大，因此總的進氣質(zhì)量流率越大。2）外環(huán)形側(cè)邊槽寬與吸入空氣的中心通道直徑的比值較大時，則有較大的總進氣質(zhì)量流率；如果該比值較小，則有較佳的吸氣比；因此，此值對氣囊的充氣狀態(tài)影響重大，需要根據(jù)實際的氣囊保護效果來進行最佳設(shè)計。3）由數(shù)值仿真結(jié)果可以得到，吸入外界的空氣質(zhì)量流率為引爆后噴入的高壓氣體質(zhì)量流率的2～5倍，吸氣比的效果很好。4）由于引爆后的高壓氣體經(jīng)過噴嘴加速后噴入氣囊，在接近壁面處產(chǎn)生康達效應(yīng)，使充氣器內(nèi)部形成低壓區(qū)，因此可以吸入外界的空氣。5）由數(shù)值仿真分析可知，高壓氣體噴入的角度對總氣體質(zhì)量流率及吸氣比的影響較小。

5 結(jié)論

文章主要介紹了新型吸氣式安全氣囊的工作原理、發(fā)展歷程、物理結(jié)構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)。由于其吸氣過程是高壓氣體經(jīng)噴嘴以近聲速或者超聲速的紊流流場噴出，會形成局部的低壓區(qū)域，從而吸引外界的冷空氣通過進氣道進入氣囊，故充氣器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（主要包括噴嘴與進氣道的尺寸大小、引爆的高壓氣體噴入進氣道的角度及氣體噴入的壓力和速度）對吸氣比、吸氣量、壓力分布及速度分布等吸氣效果有嚴重的影響。同時，新型吸氣式安全氣囊在充氣過程中，以低溫低壓的外界空氣與引爆的高溫高壓氣體的混合氣充氣，降低了充氣溫度，縮短了充氣時間，可以更好地保護乘員。因此，新型吸氣式安全氣囊將具有廣闊的實際應(yīng)用價值。文章的研究將進一步推動新型吸氣式安全氣囊的發(fā)展。下一步計劃利用計算流體力學(xué)軟件對不同幾何參數(shù)組合的吸氣式充氣器進行仿真計算，設(shè)計結(jié)構(gòu)更合理的吸氣式充氣器，使之達到更好的充氣效果。