新型车用吸气式安全气囊的分析*

宋志强 曹立波 喻志强

（湖南大学；汽车车身先进设计制造国家重点实验室）

汽车用安全气囊的应用提高了汽车的碰撞安全性，但也存在较大安全隐患。气囊以爆炸般的速度弹出，对离位乘员及儿童可能产生严重伤害；气体发生器所产生的充气气体温度高达200～300℃，会灼伤乘员面部[1-3]，因此，研究开发一种经济而又更安全的新型汽车气囊成为汽车业界的需求。针对传统式安全气囊充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。

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火药后瞬间产生的高速气流造成康达效应，产生负压区域来将外界周围的空气吸入气囊内，并与引爆后的氮气进行充分混合，以快速充入气囊，从而可以增加充气的气体质量流率，缩短充气时间。周围的空气成为了进入安全气囊的主要充气源，因此可以减少火药使用量并降低引爆后的充气温度，具有充气温度低和攻击性弱等突出优点，可弥补传统式安全气囊的缺点。

2 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]曾用Euler及Navier-Stokes（纳维叶-斯托克斯）方程求解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 factorization scheme等方法对近声速扩散的黏滞流场和非黏滞流场进行求解，并用试验测试验证，都得到了较好的效果。在20世纪90年代，文献[10-13]使用k-ε模式研究了轴对称与非轴对称的可压缩与不可压缩紊流场有极佳的结果，因为高压气体经喷嘴加速后流入充气管与吸入的低气压混合，使流场形成紊流模式。在2002—2011年，文献[14-17]利用计算机数值分析方法及流场数值计算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、高压入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、喷嘴喷入的流场速度、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入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入气囊，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，并快速充入气囊，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入。

吸气比是指吸入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，表示从外界吸入的空气占进入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，混入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入外界的空气与引爆后的气体一起充入气囊，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示出气囊起作用过程中内部压力的变化。

图1 吸气式安全气囊工作过程中内部压力变化曲线图

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入气囊，外界空气通过中央进气管被吸入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入气囊。

图2 吸气式充气器结构模型

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。

表1 不同几何参数组合的吸气式充气器

根据文献[15-17]模拟计算仿真所得的结论为：1）高压气体喷入的压力大小会影响到吸入外界周围的空气质量流率，喷入的压力越大则吸入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入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，吸入外界的空气质量流率为引爆后喷入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入气囊，在接近壁面处产生康达效应，使充气器内部形成低压区，因此可以吸入外界的空气。5）由数值仿真分析可知，高压气体喷入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入气囊，故充气器的结构参数（主要包括喷嘴与进气道的尺寸大小、引爆的高压气体喷入进气道的角度及气体喷入的压力和速度）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。