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glopfsensor für Verbrennungsmotore.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Klopfsensor für Verbrennungsmotore,
wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
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Seit Jahren sind Bestrebungen im Gange, Verbrennungsmotore, insbesondere
für Kraftfahrzeuge, zu entwickeln, die geringeren Benzinverbrauch haben. Ein wichtiges
Kriterium für Sparsamkeit eines Verbrennungsmotors ist seine optimale Zündeinstellung.
Ungünstige Betriebszustände können aber dazu führen, daß der Motor, genauer die
Verbrennung im Zylinder, in den gefürchteten Zustand des Klopfen kommt, der hohen
Materialverschleiß mit sich bringt. Es sind daher Sensoren entwickelt worden, die
am Motorblock anzubringen sind und die das Auftreten eines Motorklopfens sofort
detektieren. Durch entsprechende Maßnahmen wird auf ein solches Warnsignal hin die
Betriebscharakteristik, insbesondere der Zeitpunkt der Zündung, derart verändert,
daß gerade kein Klopfen mehr auftritt.
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Als Sensoren für diesen Zweck sind vielfältige Konstruktionen von
Beschleunigungsmessern angegeben worden, die insbesondere piezokeramisches Material
als elektromechanischer Wandler verwenden. Ein Aufbauprinzip derartiger Beschleunigungsmesser
ist, eine piezokeramische Scheibe mit ihrer einen Hauptfläche an die Außenwand des
Motorblocks oder Zylinderkopfes anzupressen, und zwar mit Hilfe einer Schraube,
deren gegebenenfalls vergrößerter Schraubkopf eine zugehörige seismische Masse bildet.
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Eine solche Ausführungsform geht z.B. aus der DE-OS Nr.
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28 02 679 hervor.
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Wesentlich empfindlicher sind andere Beschleunigungssensoren, die
einen solchen Aufbau haben, bei dem die seismische Masse über ein Gelenk mit einer
"ruhenden" Masse verbunden ist, wobei diese ruhende Masse am Motor block oder Zylinderkopf
zu befestigen ist. Aus der SU-PS 57 37 57 ist eine solche Konstruktion bekannt,
bei der ein hochkant angeordneter, dünner Piezokeramik-Streifen sich zwischen der
ruhenden Masse und der am Gelenk befestigten seismischen Masse erstreckt. Auf die
seismische Masse einwirkende Trägheitskräfte führen zu einer Biegung in dem Gelenk
und zu einer daraus resultierenden Druckeinwirkung auf den piezokeramischen Streifen.
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Ein wie eingangs beschriebener Sensor ist zwar relativ robust und
für den rauhen Fahrzeugbetrieb, soweit erkennbar, geeignet. Seine geringe Empfindlichkeit
läßt aber manche Probleme ungelöst, zumal im Betrieb im Fahrzeug sehr viele elektrische
Störsignale das zu detektierende elektrische Signal des Sensors unerkennbar machen
können. Ein solches Problem gibt es bei einem wie zuletzt beschriebenen hochempfindlichen
Beschleunigungssensor weit weniger. Dieser Sensor hat Jedoch den Nachteil, daß er
mechanisch relativ wenig stabil ist und insbesondere bereits bei relativ geringen
Schlagerschütterungen in nicht bestimmungsgemäßen Richtungen zerstört wird. Für
Fahrzeugbetrieb und die damit verbundenen sonstigen Betriebsbedingungen kann dies
jedoch nicht akzentriert werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegend en Erfindung einen Klopfsensor
anzugeben, der bei genügend großer Empfindlichkeit die für Verwendung im Fahrzeugbetrieb
notwendige Robustheit hat, ohne daß Empfindlichkeit und/oder Robustheit durch technologisch
komplizierten Aufwand erkauft ist. Der erfindungsgemäß anhebende Klopfsensor
muß
als Massenprodukt mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand in großen Stückzahlen
herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird für einen Klopfsensor nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruchs
1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
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Der erfindungsgemäßen Lösung liegt ein - verglichen mit allen bisher
vorgeschlagenen Klopfsensoren - anderes physikalisches Prinzip zugrunde, obwohl
ebenfalls das günstige piezokeramische Material als elektromechanischer Wandler
verwendet ist. Das Prinzip, auf dem der erfindungsgemäße Klopfsensor beruht, besteht
darin, in dem Wandmaterial des Motorblocks und/oder Zylinderkopfes örtlich verteilt
auftretende Material verzerrungen, die von Klopfschwingungen des Motors bewirkt
sind, auszunutzen und die - wenn auch in ihrer Amplitude an sich nur sehr kleinen
- tangentialen Abmessungsveränderungen mit einem Plättchen aus piezokeramischem
Material aufzunehmen Es wurde nämlich überraschenderweise festgestellt, daß diese
auftretenden geringen tangentialen Schwingungsamplituden der Verzerrungen im Wandmaterial
des Motors bereits ausreichend groß sind mit einem Plättchen aus piezokeramischem
Material zuverlässig detektiert werden zu können.
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Abgesehen davon, daß für die Anbringung des Klopfsensors für einen
jeweiligen Motor eine der Stellen ausgesucht werden muß, die sich für Abnahme von
auf Klotfschwingungen beruhenden tangentialen Verzerrungen der Material oberfläche
besonders eignet - solche Stellen sind zumindest experimentell in an sich einfacher
Weise zu finden - kommt es bei der Erfindung darauf an, einen bezüglich
der
Hauptfläche des Plättchens fUr die Ubertragung der Verzerrungen ganzflächig mechanisch
gut leitfähigen Kontakt mit dem Material der Wandoberfläche des Motors zu haben.
Der Aufwand für einen solchen guten Kontakt ist aber auch nicht höher als er für
bisher bekannte Klopfsensoren, d.h. für deren Anbringung am Motor, zu treffen war.
Diese Stelle kann sich im übrigen am Motor block oder am Zylinderkopf befinden,
in denen erfahrungsgemäß praktisch gleichermaßen solche tangentialen Verzerrungen
auftreten.
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Ein ganz entscheidender Vorzug des erfindungsgemäßen Klopfsensors
ist, daß diejenige Hauptfläche des piezoke ramischen Plättchens, die der für die
Befestigung am Motor bestimmten Hauptfläche des Plättchens gegenEberliegt, frei
ist von jeglichen angekoppelten Massen, die ihrerseits Trägheitskräfte auf das Plättchen
ausüben könnten. Dieser Umstand erleichtert nämlich in ganz entscheidender Weise
die Anforderungen an die mechanische Verbindung zwischen dem Piezokeramik-Plättchen
und der Oberfläche des Motorblocks und/oder Zylinderkopfes, in der die auf das Plättchen
zu übertragenden'tangentialen mechanischen Verzerrungen auftreten. Der Vollständigkeit
halber sei darauf hingewiesen, daß diese Verbindung auch über ein oder mehrere Zwischenmaterialien
gehen kann, denn letztendlich kommt es auf die gesamte Verbindung von der Motoroberfläche
in das Plättchen und deren Leitfähigkeit bzw. Ubertragungseigenschaft für tangentiale
mechanische Verzerrungen an.
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Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen- aus der Beschreibung zu
bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor, die in den Figuren dargestellt sind.
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Fig.1 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform,
die
für vorzugsweise einmalige Anbringung am Motor bestizm' ist.
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Fig.2a zeigen in Aufsicht und in Seitenansicht. eine Aus-und 2bführungsform,
die sich für Demontage und Wiedermontage eignet.
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Fig.3a zeigen in Aufsicht und in Seitenansicht eine und 3bzweite Ausführungsform
zur Verwendung wie bei Fig 2 In Fig.1 ist mitl eine erste Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Klopfsensors insgesamt gekennzeichnet.
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Mit 2 ist ein Anteil der Wandung eines Verbrennungsmotors bezeichnet,
an dem bzw. für den der Sensor 1 dahingehend wirksam sein soll, aufgrund eines Verbrennungaklopfens
auftretende Materialschwingungen - genauer die durch diese Materialschwingungen
in der Wandung hervorgerufenen tangentialen Verzerrungen - zu detektieren. Der in
der Fig.1 dargestellte Anteil 2 der Wandung kann Teil des Zylinderkopfes, kann aber
auch Teil des Motorblocks sein, nämlich je nachdem wo girnstige Anbringung möglich
ist und/oder relativ große tangentiale Verzerrung des Materials der Wandung 2 aufgrund
von Elopfschwingungen auftritt. Mit dem Doppelpfeil 3 sind solche tangentialen Materialverzerrungen
nahe der Oberfläche der Wand 2 angedeutet. Diese tangentialen Verzerrungen können
im übrigen praktisch rein longitudinale, parallele Ausrichtung haben. Sie können
aber auch über viele oder sogar alle in der Oberfläche der Wand 2 liegende Richtungen
verteilt sein. Mit 11 ist ein Plättchen mit einer Dicke von z.B.0,2 mm bis 5 mm
aus piezokeramischem Materials wie z.B. Bleizirkonattitanat, bezeichnet, das für
derartige Zwecke und ähnliche Verwendungen dem Fachmann gut bekannt ist. Mit 12
und 13 sind elektrodenbeschichtete Hauptflächen des Plättchens 11 bezeichnet.
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Diese Elektrodenschichten 12, 13 haben eine sehr geringe Dicke von
sogar weniger als 10 /um und bestehen in an sich bekannter Weise vorteilhaft aus
Einbrennsilber.
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Um an der Elektrodenschicht 12, die der Wandung 2 des Motors zugewandt
ist, in einfacher Weise einen Elektrodenanschluß anbringen zu können, ist diese
Elektrodenschicht beispielsweise um den (in der Figur rechtem Rand des Plättchens)
soweit herumgezogen, daß ein kleiner, für den Anschluß eines Kontaktstifts 14 ausreichend
großer Flächenanteil 12a sich auf derjenigen Hauptfläche des Plättchens 11 befindet,
die an sich durch die Elektrodenschicht 13 bedeckt ist. Die Elektrodenschicht 13
ist dann dementsprechend im Bereich dieses um den Rand des Plättchens herumgezogenen
Anteils 12a der Elektrodenschicht 12 ausgespart. Ein zweiter Anschlußstift ist mit
15 bezeichnet, der-tontakt mit der Elektrodenschicht 13 hat.
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Mit der der Wandung 2 zugeordneten Hauptfläche, d.h. mit der Elektrodenschicht
12, ist das Plättchen 11 mit dem Material der Wandung 2 so fest verbunden, daß tangentiale
Verzerrungen 3 in der Wandung 2 gleichartige Materialverzerrungen 3' im piezokeramischen
Material des Plättchens 11 erzeugen. Diese mechanische Verbindung von Plättchen
11 und Wandung 2 miteinander kann z.B. mit Hilfe einer Rlebschicht 16 bewirkt sein.
Für die hohen Frequenzen (7 bis 10 kHz) der Klopfschwingungen und damit der mechanischen
Verzerrungen 3 ist nämlich Klebstoff der Schicht 16 bereits ausreichend steif und
damit gut mechanisch leitend. Die Verwendung von Klebstoff 16 für diese Verbindung
ist eine besonders preiswerte Maßnahme, die zudem auch relativ geringere Anforderungen
an Planität und Feinheit der Oberfläche der Wandung 2 und der Hauptfläche des Plättchens
11 stellt. Eine gewisse Rauhigkeit kann sogar für die Befest~-zlrg und
für
die mechanische Spannungsübertragung von ausgesProchenem Vorteil sein.
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Die in das piezokeramische Plättchen 11 übertragenen mechanischen
Verzerrungen 3t führen in diesem zu einer über den Poisson-Mödul entstehenden mechanischen
Verzehr c rung in Richtung der Dicke des Plättchens 11. Diese wechselnden mechanischen
Verzerrungen in Dickenrichtung bewirken ein entsprechendes Wechselspannungssignal
zwischen den Elektroden 12 und 13, und damit zwischen den Stiften 14 und 15. Dies
ist das abzunehmende elektrische Signal, dessen Auftreten auf das Auftreten von
Elopfschwingungen im Motor hinweist.
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Im wesentlichen für mechanischen Schutz ist eine Umhüllung 18 für
das Piezokeramik-Plättchen vorgesehen. Diese Umhüllung 18 besteht aus einem Kunststoff,
wie z.3.
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Epoxidharz. Dessen mechanische Steifigkeit ist grundsätzlich so gering,
daß diese Umhüllung 18 keine wesentliche Dämpfung auf die Verzerrungsbewegungen
entsnrechend dem Doppelpfeil 3' und auch nicht auf die darau-s entstehendenverzerrungsbewegungen
in Dickenrichtung des Plättchens 11 ausüben kann. Zum Beispiel kann durchaus ein
kleiner Luftspalt zwischen der Elektrodenschicht 13 und der diese Elektrodenschicht
13 gegenüberliegenden Fläche der Umhüllung 18 vorhanden sein. Auch an den seitlichen
Rändern des Plättchens übt die Umhüllung 18 keine störende einspannende Wirkung
auf das Plättchen 11 aus.
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Eine wie in Fig.1 dargestellte Ausfiihrungsform kann insgesamt Zug
um Zug an der Wandung 2 eines Motorblocks aufgebaut werden. Es kann aber auch der
Klopfsensor für sich hergestellt werden, nämlich mit allen in der Fig .1 angegebenen
Teilen, ausgenommen die Wandung 2 und die
Klebschicht 16. Bei einem
solchen für sich getrennten Klopfsensor 1 liegt also bereits die Umhüllung 18 vor,
in die das Plättchen 11 so eingebettet ist, daß seine eine Hauptfläche mit der Elektrodenschicht
12 freiliegt und daß diese Fläche mit der das Plättchen 11 umgebenden Randfläche
18a der Umhüllung 18 praktisch eine Ebene bildet. Für die Anbringung am Motor werden
dann lediglich die Fläche der Elektrodenschicht 12 und die Fläche 18a mit vorzugsweise
Klebstoff beschichtet und der Sensor an der vorbereiteten Stelle der Wandung 2 des
Motors angedrückt und angeklebt. Im Regelfall ist eine solche Ausführungsform praktisch
nicht demontierbar, ohne sie zu zerstören. Dies ist aber kein Nachteil, nachdem
ein solcher Klopfsensor 1 ohne weiteres über die Laufzeit des Motors an diesem verbleiben
kann. Für einen denkbaren Ersatz ist ein unbrauchbar gewordener Klopfsensor 1, z.B.
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mit einem Hammerschlag, von der Wand 2 des Motors abzutrennen und
durch einen neuen Klopfsensor 1 zu ersetzen.
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Die Fig.2 und 3 zeigen demontierbare Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Klopfsensors, die ebenfalls auf die beim Klopfen des Motors in dessen Wandung auftretenden
mechanischen Verzerrungen ansprechen. Beide Figuren geben Aufsicht und Seitenansicht
im Schnitt wieder.
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liHg.2 ist wieder das Plättchen aus piezokernSchem mit 11 bezeichnet,
das auf seinen beiden Hauptflächen die bereits erwähnten x;;ektrodenschichten 12
und 13 hat.
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Dieses Plättchen 11 ist mit seiner von der Elektrodenschicht 12 bedeckten
(in der Figur unteren) Hauptfläche mit einer entsprechenden Fläche eines Zwischenträgers
21 verbunden. Eine bevorzugten Form eines solchen Zwischenträgers 21 ist besonders
gut der Fig entnehmbar. Der Zwischenträger 21 besteht aus einem dünneren Anteil
22, dessen eine Fläche 23 so groß bemessen ist, daß an ihr
das
Plättchen 11 wie erwähnt angebracht, insbesondere angeklebt, sein kann. Das Plättchen
11 und dieser Anteil 22 des Zwischenträgers 21 sind damit für die Übertragung mechanischer
Verzerrung aus dem Anteil 22 in das Plättchen 11 miteinander mechanisch gut leitend
verbunden. An zwei gegenüberliegenden Rändern geht der Anteil 22 in je einen Anteil
24 über. Vergleichsweise zum Anteil 22 hat ein jeder Anteil 24 eine größere Dicke.
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Außerdem hat jeder Anteil 24 ein Locis5 durch das hindurch der jeweilige
Anteil 24, d.h. der gesamte Zwischenträger 21, mit je einer Schraube 125 an der
ausschnittsweise wiedergegebenen Wandung 2 des Motors angeschraubt werden kann0
Die Schraubenlöcher 25 haben einen, wie aus der Figur ersichtlich, erheblichen Abstand
voneinander und zwischen ihnen befindet sich das Plättchen 11, und zwar vorzugsweise
mit seiner größeren Abmessung b in Richtung dieses Abstands.
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In der Motorwandung aufgrund eines Klopfen auftretende Verzerrungen
3 werden infolge der im Bereich der Schrauben 125 festen Verbindung zwischen dem
Zwischenträger 21 und der Wandung 2 auf den Zwischenträger 21, und zwar insbesondere
auf dessen Anteil 22, übertragen, wie der Doppelpfeil 39' andeutet. Von diesem Anteil
22 werden diese Verzerrungen 3??, wie mit 3' angedeutet, auf das Plättchen 11 übertragen.
Dies liefert dann ein Ausgangssignal zwischen den Anschlußleitungen 14 und 15.
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Damit die mit 3 angedeuteten Verzerrungen transversal möglichst gut
bis in das Piezokeramik-Plättchen 11 als Verzerrungen 3? übertragen werden, ist
die Dicke des Anteils 22 kleiner oder wenigstens nur bis zur Größenordnung der Dicke
c des Plättchens 11 zu wählen. Die Abmessung b soll ein Vielfaches der Dicke c des
Plättchens 11 sein. Vorzugsweise ist die Abmessung b auch größer als
die
Abmessung a. Bei in der Wandung 2 großflächig auftretenden einheitlichen Verzerrungen
einheitlichen Vorzeichens kann auch die Abmessung a, d.h. die Breite senkrecht zum
Abstand zwischen den Löchern 25, groß gewählt werden, um leistungsstarkes Ausgangssignal
an den Anschlüssen 14/15 zu erreichen. Bezüglich der Dicke t für den Anteil 22 des
Zwischenträgers 21 sei jedoch darauf hingewiesen, daß diese wiederum nicht so klein
sein soll, daß mechanische Verzerrungen 3" nur vorwiegend dort auftreten, wo ein
vorzugsweise allerdings nur gering zu haltender Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden
Seiten (a.c) des Plättchens 11 und des jeweiligen Anteils 24 des Zwischenträgers
21 vorliegt.
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Für geeignete Abmessung ist darauf zu achten, daß sich mechanische
Verzerrungen 3?? vor allem unterhalb des Plättchens 11 im Material des Anteils 22
ausbilden. In den Zwischenträger 21 wird die mechanische Verzerrung 3" über - wie
beispielsweise Schraubverbindungen 125 - zwischen Wandung 2 und den Anteilen 24
des Zwischenträgers 21 übertragen.
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Fig.3a zeigt in Aufsicht und Fig.3b im Schnitt A-B eine weitere Ausführungsform
der Erfindung. Zu den Fig.1 und 2 bereits beschriebene Einzelheiten werden zu den
Fig. 3a, 3b nicht nochmals wiederholt. Ein wesentlicher Unterschied fiir die Ausführungsform
nach Fig.3 ist die 3-Punkt-Befestigung eines im wesentlichen dreieckigen Zwischenträgers
31, der einen dem bereits beschriebenen Anteil 22 entsprechenden Anteil 32 mitgK
rer Dicke haben kann. Im Bereich dieses Anteils 32 ist ein bei dieser AusführungFforR
tandes Plättchen 11? aufs Pieeokeramik aufgeklebt. Die drei Locher 35 dienen dazu,
den Zwischenträger 31 an der Wandung 2 des Motorblocks fest anzuschrauben. Diese
Ausführungsform mit 3-Punkt-Befestigung hat gegenüber der Ausführungsforni
nach
Fig.2 den Vorzug, daß praktisch jegliche Verserrungsrichtungen im Material der Wandung
2 auf das Plättchen 11' übertragen werden (wie dies im wesentlichen auch für das
angeklebte Plättchen 11 der Ausführungsform nach Fig.1 gilt).
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Für einen mechanischen Schutz sind die Ausführungsformen, dargestellt
nur in Fig. 2b und 3b, mit'einer Eunststoffumhüllung 118 versehen, die auch vorzugsweise
zur Halterung der Anschlußstifte 14/15 dient, wie schon beschrieben.
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In Fig.3 ist lediglich ergänzend mit 39 bezeichnet ein elektronisches
Gerät angedeutet, dem die Ausgangssignale des Plättchens 11! zugeffihrt werden.
In dem Gerät 39 erfolgt die Verarbeitung der eingegangenen Signale, um z.B. die
Motorzündung in geeigneter Weise zu verstellen.
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Ein solches Gerät 39 findet auch fUr die übrigen Ausführungsformen
Verwendung, und dieses Gerät 39 gehört zu der Ausrüstung des betreffenden Fahrzeugs,
dessen Motor (von dem hier jeweils nur ein Ausschnitt der Wandung 2 dargestellt
ist) gegen das Auftreten von Klopfachwingun gen in der Verbrennung geschützt werden
soll.
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Im Betrieb eines Verbrennungsmotors können in dessen Wandung elektrische
Ströme fließen, die sich als Störsignale zu dem Detektorempfangssignal des erfindungsgemäßen
Sensors, d.h. an den Anschlüssen 14 und 15, addieren. Es empfiehlt sich, als Vorsorge
gegen solche Fälle eine elektrische Zwischenisolierung zwischen der Wandung 2 und
dem Plättchen 11 vorzusehen. Für die Ausführungsformen nach den Fig.2 und 3 empfiehlt
sich hierzu die Verwendung eines Zwischenträgers 21 bzw.- 31 aus Aluminium, das
durch Eloxierung auf seiner der Motor wandung 2 und/oder seiner dem Plättchen 11
zugewandten Oberfläche elektrisch isolierend gemacht ist. Auf die
Eigenschaften
zur Ubertragung der zu detektierenden Materialverzerrungen in der Wandung 2 auf
das Plättchen 11 hat dies keinerlei Nachteile.
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Für die Ausführungsformen nach den Fig.2 und 3 ist es zweckmäßig,
bei der Anbringung des Sensors, d.h. bei der Montage des mit Plättchen 11 versehenen
Zwischenträgers 21 bzw. 31 an der Motorwandung 2 vorzusehen, daß sich ein Fett,
vorzugsweise ein Silikonfett, ein Kitt oder ein nicht erhärtender Eleber, mit dauerhaften
Viskositätseigenschaften zwischen den einander gegenüberliegenden Oberflächen von
Zwischenträger und Motorwandung befindet. Dieses Fett bzw. dieser Kitt oder Kleber
101 kann dort parasitäre Biegeschwingungen des Zwischenträgers 21, 31 verhindern,
die von der Oberfläche der Wandung 2 auf diesen Zwischenträger und weiter auf das
Plättchen 11 übertragen werden könnten, was dann zu Störungen führen kann, wenn
dieser Zwischenträger in irgendwelche Resonanzbiegeschwingungen kommt.
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