Development of a combustion model for a pyrotechnic actuator

Abstract

In den automotiven Sicherheitsanwendungen ist es von entscheidender Bedeutung innerhalb von Millisekunden zu reagieren um die Konsequenzen eines Unfalls zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird Pyrotechnik in einem breiten Bereich der Sicherheitstechnik verwendet. Repräsentative Beispiele sind Airbags und Gurtstraffer. Hirtenberger Automotive Safety entwickelt pyrotechnische Aktuatoren, die im Falle eines Fußgängeraufpralles die Motorhaube eine bestimmte Höhe aufstellen können. Diese Aktuatoren erzeugen eine zusätzliche Knautschzone zwischen dem Fußgänger und den harten Teilen unter der Motorhaube wie zum Beispiel dem Motor oder den Scheibenwischerachsen. Diese Masterarbeit konzentriert sich auf die Verbrennung des Pulvers, das in den pyrotechnischen Aktuatoren zur Gas- bzw. Druckerzeugung verwendet wird. Ziel ist ein besseres Verständnis vom Pulverabbrandverhalten zu gewinnen und ein Berechnungsmodell zu erstellen. Mit den gewonnen Erkenntnissen kann das Pulver und dessen Einsatz in Fußgängerschutzanwendungen optimiert werden. In der Arbeit wird die Verbrennung mittels vorwärts und rückwärts Simulationen analysiert. Die Berechnungen werden mit Versuchen validiert. Das Modell wird unter verschiedenen Bedingungen wie Volumen, Fläche der Verbrennungskammer, Pulvermenge, Pulverzusammensetzung, usw. geprüft. In der Modellierung der Verbrennung werden zwei verschiedenen Varianten, die Wiebe Funktion und Saint Robert verglichen. Die Wiebe Funktion wird oft verwendet in der Simulation von Verbrennungskraftmaschinen zur Beschreibung der Abbrandgeschwindigkeit. Das Gesetz von Saint Robert wird verwendet zur einfachen Pulvermodellierung und berücksichtiget die momentan Fläche des Pulvers und den Druck um die Abbrandgeschwindigkeit zu berechnen. Wichtige Vereinfachungen des Modells wurden in der Implementierung der Wärmeübertragung, der Anzündung des Pulvers und der Schätzung der Pulverfläche angenommen.

In automotive safety it is of vital importance to react within a few milliseconds in order to reduce the consequences of an accident. For this purpose, pyrotechnic is widely used in automotive safety. Representative examples are airbags and seat belt pretensioners. Hirtenberger Automotive Safety develops pyrotechnic actuators, which would lift the hood a few millimetres during a pedestrian crash. These actuators add more clearance between the hood and the stiff underlying engine components. This master thesis studies the combustion of propellant that is used inside the actuators to generate gas and pressure. The aim of this work is to increase the understanding of the combustion of solid propellant and to build a model. With the gained knowledge would be possible to optimise the actuators. The combustion is analysed with forward and reverse simulations. The calculations were properly validated with experimental values. The final model is able to take into account changes in important parameters such as volume and surface area of the combustion chamber, quantity of propellant, geometry of the grains, etc. The model has two variants to calculate the burning rate, The Wiebe function and the Saint Robert law. Both are analysed and compare in the framework of this thesis. The Wiebe function is commonly used to calculate the burning rate of fuel in the combustion of internal combustion engines. Saint Robert law is used in simple combustion models of propellant and takes into account the instantaneous surface area of the grains and the pressure in order to calculate the burning rate. Important simplifications were applied to the model as regards the heat transfer, the ignition of propellant and the estimation of the instantaneous area of the grains.