CN102103031A - 用于确定内燃机中的爆震的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种内燃机爆震确定装置,包括振动检测器,检测内燃机的振动并且产生对应于该振动的信号;强度计算单元,从当爆震产生时振动强度的峰位于其中的多个频率区域中的信号振动分量抽出;背景噪音计算单元,计算由除了爆震的因素导致的被振动检测器检测为振动的背景噪音;频率计算单元,通过从多个频率区域排除被指定为由于特定区域中的作为发动机的背景噪音一部分的导致错误检测的噪音的强度而需要进行排除的频率区域的一定频率区域而确定多个特定频率区域,通过这些特定频率区域确定是否正在发生爆震;以及爆震确定单元,根据通过排除需要进行排除的频率区域而获得的特定频率区域中的振动强度而确定爆震的产生,其中随着作为背景噪音一部分的导致错误检测的噪音降低,特定频率区域的数量被增加。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求35 U.S.C.§119下的提交于2009年12月22日的日本专利申请No.2009-290209的优先权,其完整内容通过引用的方式结合于此。
技术领域
本申请涉及用于确定内燃机中的爆震的装置和方法。
背景技术
总体地,用于内燃机的爆震确定装置根据由用于检测缸组振动的爆震传感器检测到的振动波形的峰值位置或峰值强度来确定爆震的产生。
但是,难于区分爆震和噪音并且难于精确地检测爆震,因为各种类型的背景发动机噪音,例如,当燃料喷射阀定位时产生的噪音或可调节气门装置的驱动噪音,都产生在内燃机中。
为了解决这一问题,通过排除那些产生背景发动机噪音包括燃料喷射阀的噪音的频带,现有装置根据特定频带中的峰值强度确定爆震的产生,从而获得当产生爆震时而不是产生其他驱动噪音时峰值所存在的特定频带的子集。因此,当燃料喷射阀定位时产生的噪音,例如,被防止错误地检测为爆震。但是,当具有除了特定频带的频带中的峰值的爆震产生时,以及尤其在由于存在发动机噪音而被排除的频带中,爆震的产生不能被这一装置检测到。也就是,与特定频带没有受到排除那些产生背景发动机噪音的频带的限制的情况相比,爆震检测性能被不利地减小。
发明内容
本发明提供一种用于确定爆震的装置和方法,能够在避免由于诸如燃料喷射阀的定位噪音的发动机噪音造成的爆震的错误确定的同时通过最大化用于该确定中的特定频带的数量而确定爆震的产生。
公开一种内燃机的爆震确定装置的一项实施例,该装置包括振动检测器,所述振动检测器检测内燃机的振动并且产生对应于该振动的信号;强度计算单元,所述强度计算单元从当爆震产生时振动强度的峰位于其中的多个频率区域中的信号振动分量抽出;背景噪音计算单元,所述背景噪音计算单元计算由除了爆震的因素导致的被所述振动检测器检测为振动的背景噪音。该装置还包括频率计算单元,所述频率计算单元通过从所述多个频率区域排除被指定为由于特定区域中的作为发动机的背景噪音一部分的导致错误检测的噪音的强度而需要进行排除的频率区域的一定频率区域、而确定特定频率区域的数量,由此确定是否正在发生爆震;以及爆震确定单元,所述爆震确定单元根据通过排除需要进行排除的频率区域而获得的特定频率区域中的振动强度而确定爆震的产生。通过将需要排除的频率区域限制为多个频率区域中的导致错误检测的噪音使得背景噪音中的振动强度处于削弱检测爆震的能力的范围的那些频率区域,随着作为背景噪音一部分的导致错误检测的噪音降低,特定频率区域的数量被增加。
公开一种确定内燃机中的爆震的方法的一项实施例,该方法包括检测内燃机的振动并且产生对应于该振动的信号;从当爆震产生时振动强度的峰位于其中的多个频率区域中的信号振动分量抽出;计算由除了爆震的因素导致的被检测为振动的背景噪音;通过从所述多个频率区域排除被指定为由于特定区域中的作为发动机的背景噪音一部分的导致错误检测的噪音的强度而需要进行排除的频率区域的一定频率区域、而确定特定频率区域的数量,由此确定是否正在发生爆震;以及根据通过排除需要进行排除的频率区域而获得的特定频率区域中的振动强度而确定爆震的产生。通过将需要排除的频率区域限制为多个频率区域中的导致错误检测的噪音使得背景噪音中的振动强度处于削弱检测爆震的能力的范围的那些频率区域,随着作为背景噪音一部分的导致错误检测的噪音降低,特定频率区域的数量被增加。
根据本发明,由于检测特定频带没有不必要地过多地被排除,所以即使当爆震实际正在产生时不正确地确定没有爆震产生的可能性降低。因此,爆震能够以高精确度被检测到。
附图说明
附图结合在这里并且构成本说明书的一部分,附图示出本发明的当前优选实施例,并且与上述总体说明和下述详细说明共同用于说明本发明的特征。
图1是内燃机的实施例的示意图;
图2是示出爆震确定控制的内容的方框图;
图3是示出图2的爆震确定控制的控制程序的流程图;
图4示出当爆震产生时的振动模式;
图5示出由燃料喷射阀的驱动噪音存在或不存在导致的背景噪音中的示例性区别;
图6示出由燃料喷射阀的驱动噪音存在或不存在导致的背景噪音的其他示例性区别;
图7是用于确定燃料喷射阀的驱动噪音的固有频率是否被排除的图;以及
图8是用于计算爆震确定的阈值的图。
具体实施方式
本发明的一项实施例将参照附图进行说明。图1是结合有本实施例的内燃机的示意图。
内燃机100包括缸组10和设置在缸组10上方的缸盖20。缸12形成在缸组10中并且每个容纳一活塞11。活塞11的冠顶表面、缸12的壁部以及缸盖20的底表面形成燃烧室13。当燃料-空气混合物在燃烧室13中燃烧时,活塞11由于由燃烧产生的燃烧压力而在相应的缸12中往复移动。
燃料-空气混合物流入相应燃烧室13所通过的进气路径30和排放气体排出离开相应燃烧室13所通过的排放路径40形成在缸头20中。每个进气路径30设置有进气门31。进气门31被与进气凸轮轴32形成一体的凸轮33驱动。凸轮33响应于活塞11的竖直移动而打开或关闭进气路径30。每个进气路径30也设置有节气门35。节气门35根据从控制器55(如下所述)输出的信号打开或关闭,并且调节进气路径30的流动通道的横截面面积。每个排放路径40设置有排放阀41。排放阀41由与排放凸轮轴42形成一体的凸轮43驱动。凸轮42响应于活塞11的竖直移动而打开或关闭。
燃料喷射阀34和火花塞51设置在对应燃烧室13的中央部分处的每组进气路径30与排放通道40之间的缸盖20上,从而面对燃烧室13。火花塞51的点火正时根据从控制器55输出的信号由点火控制器50进行控制。
控制器55包括CPU、ROM和RAM和I/O接口。控制器55接收检测发动机的操作状态诸如转速和发动机载荷的各个传感器的输出。发动机的转速由曲柄转角传感器71检测。发动机载荷根据节气门开度计算,节气门开度由节气门位置传感器72进行检测。控制器55根据这些不同传感器的输出确定燃料喷射正时、点火正时等。另外,控制器55接收爆震传感器73检测到的信号,其设置成能够检测缸组10的振动。控制器55根据由爆震传感器73检测到的信号确定产生爆震。
接下来,将说明由控制器55执行的爆震的产生的确定(爆震确定)。
图2是示出由控制器55执行的爆震确定控制的方框图。控制器55以不变的期间(例如,10毫秒)重复地执行这一控制。这一附图所示的方框示出控制器55的功能,作为虚拟单元,并不是必须物理存在的。
振动检测单元B201接收来自爆震传感器73的信号,该爆震传感器检测缸的振动。放大单元B202放大所接收的信号。ADC转换单元B203将被放大的信号从模拟信号转换为数字信号。FFT处理单元B204使用快速傅立叶变换(FFT处理)将已在ADC转换单元B203处转换的数字信号转换为频率分量。
强度计算单元B205输出FFT处理之后关于每个缸的频率的信号。背景噪音计算单元B206计算背景噪音,诸如发动机100操作期间使燃料喷射阀34定位时产生的噪音(即,燃料喷射阀34的噪音)以及内燃机100本身的机械操作造成的噪音。
S-N差值计算单元B207计算关于每个缸的频率的计算于强度计算单元B205处的频率分量与计算于背景噪音计算单元B206处的背景噪音的加权平均值之间的差(S-N差)。加权平均值通过例如对分配80%权重的算得频率分量和分配20%权重的算得背景噪音取平均值而获得。
频率计算单元B208选择用于爆震确定的频率区域(如下所述)。强度指标计算单元B209在选择于频率计算单元B208的频率区域中的S-N差积分,并且计算用于每个缸的爆震确定的强度指标。阈值计算单元B210计算用于每个缸的爆震确定的阈值。
爆震确定单元B211通过比较计算于强度指标计算单元B209的强度指标与计算于阈值计算单元B210的用于每个缸的阈值而确定爆震的产生。
图3是示出爆震确定控制的过程的特定内容的流程图。在步骤S10,确定发动机是否正在操作于可能产生爆震的操作范围(爆震控制范围)。根据水温传感器74检测到的值,当发动机冷却水的温度高于或等于阈值温度例如60℃时,确定发动机是否正操作于爆震控制范围。当发动机正操作于爆震控制范围时,程序前进至步骤S20。当发动机在爆震控制范围以外操作时,程序结束,不执行任何操作,因为不必要进行爆震检测。
在步骤S20,确定当前曲柄转角是否处于爆震检测间隔。当曲柄转角处于爆震检测间隔时,程序前进至步骤S30,否则程序结束。爆震检测间隔是缸内振动由爆震传感器73检测的间隔。一般地,在活塞位于压缩冲程上的上死点与做功冲程上的60°ATDC曲柄转角附近之间时,由于爆震而产生缸内振动。因此,仅在这一活塞正时间隔,缸内振动需要被爆震传感器73检测。相反地,如果缸内振动将在这一间隔以外的活塞正时被检测到,那么由爆震以外的因素造成的振动会被错误地确定为爆震。因此,从大约0°ATDC到大约60°ATDC的曲柄转角范围被限定为爆震检测间隔,缸内振动仅在曲柄转角处于这一间隔时被爆震传感器73检测到。
步骤S20之后的过程相应于每个缸而执行。在步骤S30,由爆震传感器73产生的信号被取样。更具体地说,由爆震传感器73产生的信号在放大单元B202处被放大,并且由ADC转换单元B203取样作为数字信号。在步骤S40,被取样的信号使用FFT转换为频率分量(B204),并且相应于每个缸在频率方面被输出(B205)。
在步骤S50,计算于步骤S40的频率分量和在频率方面计算的背景噪音之间的差被计算(B207)。背景噪音按照需要在步骤S60被升级(如下所述),上次升级的背景噪音被使用。对于启动时的第一次计算,通过从频率分量减去背景噪音获得的结果被界定为零。
在步骤S60,计算于步骤S40的频率分量和上次更新的背景噪音的加权平均值被计算,并且设定为新的背景噪音(B206)。加权平均值通过例如对分配80%权重的算得频率分量和分配20%权重的上次更新背景噪音取平均值而获得。
在步骤S70,由于爆震,产生振动达到峰时的频率(发动机爆震的固有频率)。当产生爆震时,缸的内部在图4所示的模式其中的一个或者其中的一些的组合下振动。每个模式的发动机爆震的固有频率能够使用Draper的理论公式进行计算:
f=Unm·C/πB
其中,f是发动机爆震的固有频率,B是缸孔,C是声速,Unm是特征值,n是沿径向方向的阶数(order),m是沿周向方向的阶数。
在步骤S80,计算包括在背景噪音中的燃料喷射阀34的驱动噪音的固有频率。表示燃料喷射阀34的驱动噪音的算数值在操作该阀之前通过实验进行测量并且预先存储在控制器55中,并且在计算期间被读取。
在步骤S90,确定当前操作范围是否需要排除燃料喷射阀34的驱动噪音。这一确定如下所述执行。当不需要排除时,过程前进至步骤S100,使用发动机爆震的所有固有频率的信号水平计算爆震强度指标。该爆震强度指标是计算于步骤S50的差的平均值。另一方面,当需要进行排除时,程序前进至步骤S110,爆震强度指标计算为相应于通过从发动机爆震的固有频率排除燃料喷射阀34的固有频率获得的特定频率在步骤S50中计算的差的平均值。
接下来,将详细说明步骤S90至S110中的过程。当燃料喷射阀34打开或关闭的正时处于爆震检测间隔时,燃料喷射阀34的驱动噪音可被错误地检测为由于爆震产生的振动,因为燃料喷射阀34的驱动噪音产生于发动机爆震的固有频率下的频率或者附近的频率。也就是,燃料喷射阀34的驱动噪音可变成明显的造成错误检测的噪音,作为背景噪音的分量,其会在不产生爆震时导致错误地检测到爆震。这种错误检测能够通过从用于确定爆震的特定频率排除造成错误检测的背景噪音也就是燃料喷射阀34的固有频率附近中的发动机爆震固有频率而被防止。但是,减少用于确定爆震的特定频率的数量会增加即使实际上产生爆震时也确定没有爆震产生的风险。这会不利地降低爆震检测的可靠性。
而且,当爆震实际产生时,缸以发动机爆震的五个固有频率中的频率随机地振动。因此,当在燃料喷射阀34的固有频率附近中的发动机爆震的固有频率被从由其确定爆震的特定频率排除,缸仅在燃料喷射阀34的固有频率附近中的频率模式下振动时,不能检测到产生爆震。
因此,确定燃料喷射阀34的固有频率是否需要被首先从由其确定爆震的特定频率中排除。爆震的产生被界定为可听见爆震声音的状态,也就是,由爆震产生的振动被爆震传感器73检测到为等于或大于由背景噪音导致的振动的状态。因此,在具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音与不具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音之间没有差异的操作范围中,也就是,在即使当燃料喷射阀34的固有频率没有被排除时燃料喷射阀34的驱动噪音与整个背景噪音的比例小的操作范围中,燃料喷射阀34的驱动噪音没有被错误地检测为爆震。
这种操作范围被界定为不需要进行排除的范围。如这里所使用的,当发动机操作于由例如内燃机100本身的机械操作导致的噪音大得足以覆盖燃料喷射阀34的驱动噪音的操作范围中时,具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音与不具有驱动噪音的背景噪音之间“没有差异”。这一操作范围包括例如高转速范围或高载荷范围。
这里对于“没有差异”的界定并不局限于信号水平完全相同的情况,而是当信号水平处于不会削弱检测爆震的能力的范围。可被认为是“没有差异”的具有和不具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音的信号之间的信号水平差能够设定为优化爆震可检测性。例如,当具有燃料喷射阀34的驱动噪音的信号水平达到不具有驱动噪音的信号水平的大约四倍时,水平差能够被认为是“没有差异”,不会减小爆震可检测性。
另一方面,当燃料喷射阀34的驱动噪音在整个背景噪音中所占的比例大但是仅在一定频率区域时,错误检测能够通过仅排除一定频率区域而被类似地防止。也就是,当发动机操作于具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音远大于不具有该驱动噪音的背景噪音的操作范围时,燃料喷射阀34的驱动噪音会被错误地确定为由爆震导致的振动。因此,燃料喷射阀34的固有频率处于削弱检测爆震的能力并且需要被排除的范围。这种操作范围被界定为需要进行排除的范围。
如下所述执行操作范围是否需要进行排除的判定。在没有爆震产生的同时,在内燃机100的载荷和特定转速下,不具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音与具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音相比较。当背景噪音之间没有差异时,确定转速和载荷处于不需要进行排除的范围,否则确定转速和载荷处于需要进行排除的范围。
例如,图5示出在全载荷操作期间在2,000rpm的转速下(大开节气门;WOT)背景噪音的信号水平。在该图中,实线示出不具有爆震和燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音的信号水平,虚线示出不具有爆震但具有燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音的信号水平,交错的长短虚线示出具有爆震和燃料喷射阀34的驱动噪音的背景噪音的信号水平。这里,不具有爆震但具有燃料喷射阀34的驱动噪音的信号水平(虚线)高于在尤其是频率H1附近的不具有爆震和驱动噪音的信号水平(实线)。另外,由爆震造成的峰存在于频率H1附近。因此,在频率H1附近的燃料喷射阀34的驱动噪音的峰可被错误地确定为由爆震导致的峰。因此,操作范围被界定为需要进行排除的范围。由于具有平均于多个燃烧循环上的爆震的信号水平通常包括由上述多个频率上的由爆震导致的峰,所以即使当排除频率H1附近的峰时,也能够几乎稳定地检测到爆震。
类似于图5,图6示出全载荷操作期间在4,000rpm的转速下的信号水平。在这一操作范围,在由爆震导致的峰存在的频率H2至H5的附近中具有和不具有燃料喷射阀34的驱动噪音的信号之间的水平中存在很小的差异。因此,操作范围被界定为不需要进行排除的范围。
当发动机操作于例如由内燃机100本身的机械操作导致的噪音足够大以遮盖燃料喷射阀34的驱动噪音的操作范围时,具有和不具有燃料喷射阀34的驱动噪音的信号之间的水平中的差异可忽略。因此,背景噪音的幅值能够被简单地设定为标准,可以确定当背景噪音的幅值超过预定水平时该操作范围是不需要进行排除的范围。
表示喷射阀的驱动噪音是否将在转速和载荷方面被排除的如图7所示的图通过预先相应于每个缸执行上述在转速和载荷方面的确定而产生,并且存储在控制器55中。在图7中,纵坐标表示装载效率方面的发动机载荷,横坐标表示发动机的转速。高转速区域和高载荷区域是不需要进行排除的范围,其余的(即,低转速和低载荷区域)是需要进行排除的范围。
在计算期间,在步骤S90,根据发动机的转速和载荷,爆震确定控制指代图7的图,该过程前进至步骤S100或步骤S110。
在爆震强度指标计算于步骤S100或步骤S110之后,用于爆震确定的爆震强度指标的阈值计算于步骤S120。该阈值为在没有产生爆震的同时测量的爆震强度指标的标准偏差的大约5至10倍。更具体地说,如图8所示的图通过预先计算发动机转速和载荷方面的阈值而产生,并且存储在控制器55中。这一图被称为在计算期间使用发动机的载荷和转速。
在计算阈值之后,该过程前进至步骤S130,并且确定该爆震强度指标是否大于该阈值。当爆震强度指标大于该阈值时,确定爆震产生在步骤S140中。当爆震强度指标小于或等于阈值时,该过程结束。
虽然本发明的实施例在上述说明中结合入缸内直喷内燃机,但是该实施例也可结合入将燃料喷射入进气路径30的所谓口喷内燃机。该缸内直喷内燃机用作一个例子,因为发动机更容易受到燃料喷射阀的驱动噪音的影响。
而且,在上述说明中,用作示例性导致错误检测的噪音的燃料喷射阀的驱动噪音被排除。但是,其他导致错误检测的噪音,例如,可调节的气门装置的驱动噪音也可以被排除。
这一实施例产生下述效果。
(1)通过仅排除有必要避免由于燃料喷射阀的驱动噪音而造成的爆震的错误检测的那些频率区域、以及尤其通过不排除当燃料喷射阀的驱动噪音与发动机的整个背景噪音之间的信号水平差为低时产生燃料喷射阀的驱动噪音的频率区域、使用最大数量的特定检测频率区域、控制器55确定爆震的产生。由于在避免错误爆震检测的同时使用最大数量的特定频率区域,所以即使当实际产生爆震时错误地确定没有产生爆震的可能性降低,并且爆震能够以高精确度被检测到。
(2)控制器55增加用于爆震检测的特定频率区域的数量达到通过抽出装置抽出的所有频率区域,使得爆震检测性能改善。
(3)控制器55根据内燃机100的转速和载荷通过计算背景噪音的幅值而确定特定频率区域。因此,特定频率区域能够根据在内燃机100的操作状态方面的精确背景噪音而被确定。而且,由于能够提前测量转速和载荷方面的背景噪音,所以可以确定背景噪音是否根据发动机的操作范围而被排除。因此,能够通过更简单的计算确定适当的特定频率区域。
(4)控制器55在背景噪音的振动强度根据燃料喷射阀34的驱动噪音存在或不存在而改变的操作区域中、从多个所抽出的频率区域排除根据燃料喷射阀34的驱动噪音的振动强度确定的频率区域。因此,特定频率区域没有超过必要地被减少,爆震能够以高精确度被检测到。
虽然本发明已经参照特定优选实施例而被公开,但是可在不脱离如所附权利要求及其等同内容限定的本发明的领域和范围的情况下对所描述的实施例作出许多改变、变化和修改。因此,本发明并不意在限制于所描述的实施例,而是具有由所附权利要求的语言限定的完整范围。
Claims (11)
1.一种内燃机的爆震确定装置,包括:
振动检测器,所述振动检测器检测内燃机的振动并且产生对应于该振动的信号;
强度计算单元,所述强度计算单元从当爆震产生时振动强度的峰位于其中的多个频率区域中的信号振动分量抽出;
背景噪音计算单元,所述背景噪音计算单元计算由除了爆震的因素导致的被所述振动检测器检测为振动的背景噪音;
频率计算单元,所述频率计算单元通过从所述多个频率区域排除被指定为由于一定区域中的作为发动机的背景噪音一部分的导致错误检测的噪音的强度而需要进行排除的频率区域的一定频率区域、而确定特定频率区域的数量,由此确定是否正在发生爆震;以及
爆震确定单元,所述爆震确定单元根据通过排除需要进行排除的频率区域而获得的特定频率区域中的振动强度而确定爆震的产生;
其中,通过将需要排除的频率区域限制为多个频率区域中的导致错误检测的噪音使得背景噪音中的振动强度处于削弱检测爆震的能力的范围的那些频率区域,随着作为背景噪音一部分的导致错误检测的噪音降低,特定频率区域的数量增加。
2.根据权利要求1所述的爆震确定装置,其中,所述特定频率区域的数量包括当爆震产生时振动强度的峰位于其中的所有的多个频率区域。
3.根据权利要求1所述的爆震确定装置,其中,所述背景噪音计算单元根据所述内燃机的转速和载荷计算所述背景噪音。
4.根据权利要求3所述的爆震确定装置,其中,所述背景噪音计算单元根据将背景噪音与所述内燃机的转速和载荷相关联的图谱计算所述背景噪音。
5.根据权利要求1所述的爆震确定装置,其中,所述频率计算单元根据所述导致错误检测的噪音的振动强度而从背景噪音的振动强度根据导致错误检测的噪音存在或不存在而发生变化的操作范围中的多个抽出频率区域排除特定频率区域。
6.根据权利要求1所述的爆震确定装置,其中,所述导致错误检测的噪音包括燃料喷射阀的驱动噪音。
7.一种用于在内燃机中确定爆震的方法,包括:
检测内燃机的振动并且产生对应于该振动的信号;
从当爆震产生时振动强度的峰位于其中的多个频率区域中的信号振动分量抽出;
计算由除了爆震的因素导致的被检测为振动的背景噪音;
根据所述特征频率区域中的振动强度确定爆震的产生,所述特定频率区域通过从所述多个频率区域排除被指定为由于一定区域中的作为发动机的背景噪音一部分的导致错误检测的噪音的强度而需要进行排除的频率区域的一定频率区域而获得,
其中,通过将需要排除的频率区域限制为多个频率区域中的导致错误检测的噪音使得背景噪音中的振动强度处于削弱检测爆震的能力的范围的那些频率区域,随着作为背景噪音一部分的导致错误检测的噪音降低,特定频率区域的数量增加。
8.根据权利要求7所述的用于确定爆震的方法,其中,所述特定频率区域的数量包括当爆震产生时振动强度的峰位于其中的所有的多个频率区域。
9.根据权利要求7所述的用于确定爆震的方法,其中,计算背景噪音的步骤包括根据所述内燃机的转速和载荷计算所述背景噪音。
10.根据权利要求9所述的用于确定爆震的方法,其中,计算背景噪音的步骤包括根据将背景噪音与所述内燃机的转速和载荷相关联的图谱计算所述背景噪音。
11.根据权利要求7所述的用于确定爆震的方法,其中,所述导致错误检测的噪音包括燃料喷射阀的驱动噪音。
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