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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Steuerapparat für
einen Verbrennungsmotor, im Besonderen einen Steuerapparat für
einen Verbrennungsmotor, der eine Klopfsteuerung zum Vermeiden des
Klopfens mittels Verzögern des Zündzeitpunkts
bei der Erfassung des in dem Verbrennungsmotor auftretenden Klopfens durchführt.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Ein
Verfahren zum Erfassen eines in einem Verbrennungsmotor (hier im
Nachfolgenden einfach als Motor bezeichnet) bewirkten Klopfphänomens
mit einem Vibrationssensor ist konventionell bekannt. Gemäß dem
Verfahren ist es bekannt, dass eine Schwingung in einem spezifischen
Frequenzband gemäß einem Schwingungsmodus des
Motors oder Klopfen erzeugt wird, wenn das Klopfen während
des Motorbetriebs auftritt. Eine Schwingungsintensität
bei der spezifischen Frequenz wird zum Erfassen des Klopfens gemessen. Genauer
genommen sind die folgenden Verfahren vorgeschlagen worden. Ein
Verfahren verwendet einen analogen Bandpassfilter-Schaltkreis, um
die spezifische Frequenz zu extrahieren, und misst dann die Schwingungsintensität
auf Grundlage eines durch das Bandpassfilter passierenden Peak-Hold-Wertes,
der mittels Eingabe einer Ausgabe von dem analogen Bandpassfilter-Schaltkreis
an einen Peak-Hold-Schaltkreis erhalten wird (siehe beispielsweise
die offengelegte
japanische
Patentanmeldung Nr. 2002-357156 ; hier im Nachfolgenden
als Patentdokument 1 bezeichnet). Ein anderes Verfahren führt
eine digitale Signalverarbeitung (beispielsweise eine Schnelle Fourier-Transformation
(FFT, Fast Fourier Transform)) mit Verwendung eines digitalen Signalprozessors
(DSP) durch, um eine Schwingungsintensität auf Grundlage
eines Spektrumswertes bei der spezifischen Frequenz zu messen (siehe
beispielsweise die
japanischen
Patente Nr. 3093467 und
3098104 ;
hier im Nachfolgenden als Patentdokument 2 bzw. 3 bezeichnet).
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Wenn
der analoge Bandpassfilter-Schaltkreis wie im oben beschriebenen
Patentdokument 1 ausgestaltet ist, ist der Freiheitsgrad beim Steuern
für eine große Anzahl von Komponenten gering.
Wenn beispielsweise erwünscht ist, dass eine Vielzahl von
Frequenzbändern gleichzeitig analysiert wird, wird die
Komponentenanzahl weiter unvorteilhaft erhöht. Wenn der
DSP wie in den oben beschriebenen Patentdokumenten 2 und 3 verwendet
wird, ist darüber hinaus der DSP selbst teuer. Wenn der
DSP ein speziell entworfener ist, dann ist ferner der Freiheitsgrad
bei der Steuerung unvorteilhafter Weise begrenzt.
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Angesichts
der verbesserten Funktionalität und verringerter Kosten
von Mikrocomputern in den vergangenen Jahren wird erwartet, dass
die oben beschriebenen Probleme mit Verwendung eines Mikrocomputers
zur Fahrzeugmotorsteuerung verbessert werden können, der
eine Verarbeitungsfähigkeit auf der Stufe hat, dass er
die digitale Signalverarbeitung selbst ohne Verwendung des oben
beschriebenen DSP ausführt. Genauer genommen wird geglaubt,
dass die Frequenzanalyse mit der digitalen Signalverarbeitung mit
Verwendung des Mikrocomputers die Größe eines
Schnittstellenschaltkreises im Vergleich mit dem konventionellen
Verfahren mit Verwendung des analogen Schaltkreises überaus
reduziert und den Freiheitsgrad bei der Steuerung im Vergleich mit
den konventionellen Verfahren mit der digitalen Verarbeitung mit
Verwendung des dedizierten DSP überaus verbessert.
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Andererseits
gibt es bei der digitalen Signalverarbeitung mit Verwendung des
Mikrocomputers ein spezifisches Problem.
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Da
der Mikrocomputer die gesamte Verarbeitung für die Fahrzeugmotorsteuerung
durchführt, ist es genauer genommen erforderlich, Zeit-
und Frequenzauflösungen sicherzustellen, die für
die Frequenzanalyse des Klopfens erforderlich sind, obwohl der Verarbeitungsaufwand
und der Speicheraufwand, die für die Frequenzanalyse des
Klopfens verwendet werden können, begrenzt sind. Wenn beispielsweise
die in den Patentdokumenten 2 und 3 beschriebenen Verfahren für
die digitale Signalverarbeitung mit Verwendung des Mikrocomputers
angewendet werden, treten die folgenden Probleme auf, weil die Verfahren
die FFT verwenden.
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Genauer
genommen:
- – Ein großer Berechnungsaufwand
und eine große Menge an erforderlichem Speicher zum Analysieren sämtlicher
Frequenzbänder;
- – eine kleine Auswahlanzahl für die zu analysierende
Frequenz, weil die Anzahl der in einem Beobachtungsintervall enthaltenen
Abtastwerte auf eine Potenz von zwei begrenzt ist; und
- – eine Variation wird bei der Zeitauflösung
hinsichtlich einer Frequenzauflösung erzeugt, weil die
Anzahl der Abtastwerte in dem Beobachtungsintervall fest ist (die
Schwingungsintensität ändert sich rascher, wenn
die Frequenz höher wird; in einem Analyseintervall, das
länger festgelegt ist, um eine langsame Veränderung bei
einer niedrigen Frequenz zu erfassen, kann jedoch eine rasche Änderung
bei der hohen Frequenz in manchen Fällen nicht erfasst
werden, obwohl die langsame Änderung erfasst werden kann).
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INHALTSANGABE DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist getätigt worden, um die oben
beschriebenen Probleme zu lösen, und hat eine Aufgabe,
einen Steuerapparat für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen,
der fähig ist zum Sicherstellen einer Zeitauflösung
und einer Frequenzauflösung, die erforderlich und ausreichend
für die Frequenzklopfanalyse mit kleinem Berechnungsaufwand
und kleinem Speicheraufwand erforderlich sind, und ferner zum Erhöhen
der Anzahl von Optionen für eine zu analysierende Frequenz.
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Ein
Steuerapparat für einen Verbrennungsmotor gemäß der
vorliegenden Erfindung enthält: eine Klopferfassungseinrichtung
zum Bestimmen des Auftretens eines Klopfens auf Grundlage eines
Ausgabesignals von einem Klopfsensor und/oder einem zylinderinternen
Drucksensor, der/die für den Verbrennungsmotor bereitgestellt
ist/sind; und eine Klopfregelungseinrichtung zu Durchführen
einer Klopfregelung zum Vermeiden des Klopfens bei Erfassung des
Klopfens durch die Klopferfassungseinrichtung. Die Klopferfassungseinrichtung
enthält: ein Tiefpassfilter zum Eliminieren einer Hochfrequenzkomponente
des Ausgabesignals von dem Klopfsensor und/oder dem zylinderinternen
Drucksensor; eine A/D-Umwandlungseinrichtung zum Durchführen
einer A/D-Umwandlung auf dem Ausgabesignal von dem Tiefpassfilter
für jede vorbestimmte Zeit; und eine Digital-Signalverarbeitungseinrichtung
zum Durchführen einer digitalen Signalverarbeitung auf
den Daten, die durch die A/D-Umwandlung erhalten sind, die durch
die A/D-Umwandlungseinrichtung durchgeführt ist, um eine
Zeit-Frequenz-Analyse durchzuführen, wobei die Klopferfassungseinrichtung
eine Klopferfassung auf Grundlage eines Ergebnisses der digitalen
Signalverarbeitung durch die Digital-Signalverarbeitungseinrichtung
durchführt. Die Digital-Signalverarbeitungseinrichtung
enthält: eine Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung
zum Aufteilen der Daten, die durch die A/D-Umwandlung erhalten sind,
die durch die A/D-Umwandlungseinrichtung durchgeführt ist,
um Beobachtungsintervalle festzulegen, die jeweils eine vorbestimmte
Anzahl von Abtastwerten (Samples) enthalten; und eine Mehrfrequenz-Simultananalyseeinrichtung
zum gleichzeitigen Analysieren mehrfacher Frequenzen mittels einer
diskreten Fourier-Transformation für jedes der durch die
Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung festgelegten Beobachtungsintervalle.
Die Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung ändert
die Anzahl der in jedem der Beobachtungsintervalle enthaltenen Abtastwerte
gemäß einer zu analysierenden Frequenz.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung führt die Digital-Signalverarbeitungseinrichtung
die Funktionen durch der Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung
zum Aufteilen der Daten, die durch die A/D-Umwandlung erhalten sind,
die durch die A/D-Umwandlungseinrichtung durchgeführt ist,
um Beobachtungsintervalle festzulegen, die jeweils eine vorbestimmte
Anzahl von Abtastwerten enthalten, und der Mehrfrequenz-Simultananalyseeinrichtung
zum gleichzeitigen Analysieren der mehrfachen Frequenzen mittels
der diskreten Fourier-Transformation für jedes der festgelegten
Beobachtungsintervalle durch. Darüber hinaus wird die Anzahl der
in dem Beobachtungsintervall enthaltenen Abtastwerte gemäß.
der zu analysierenden Frequenz geändert. Deshalb stellt
die vorliegende Erfindung einen exzellenten Effekt der Sicherstellung
erforderlicher und ausreichender Zeit- und Frequenzauflösungen
für die Analyse der Klopffrequenz mit einem kleinen Berechnungsaufwand
bereit, um das Klopfen mit guter Genauigkeit zu erfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Ausgestaltungsdiagramm, das schematisch eine Motorperipherieanlage
veranschaulicht, zum Veranschaulichen eines Steuerapparats für
einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausgestaltung des Steuerapparats für
den Verbrennungsmotor gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausgestaltung der gesamten Klopferfassung
und Klopfregelung durch eine in 2 veranschaulichte
ECU (Steuergerät) veranschaulicht.
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4 ist
eine Ansicht zum Veranschaulichen eines Verarbeitungsverfahrens
in den in 3 veranschaulichten DFT-Verarbeitungseinheiten.
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5 ist
eine Ansicht, die Inhalte einer Verarbeitung in den in 3 veranschaulichten
DFT-Verarbeitungseinheiten veranschaulicht, was ein Verfahren zum
Auswählen der Anzahl von Abtastwerten N in jedem der Beobachtungsintervalle
a und b veranschaulicht.
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6 ist
eine Ansicht zum Veranschaulichen eines Verfahrens einer Verarbeitung
in den DFT-Verarbeitungseinheiten, wenn Subintervalle in dem Beobachtungsintervall
um 2/3 gemäß einer zu analysierenden Frequenz überlappt
sind, im Gegensatz zu dem in 4 veranschaulichten
Verfahren einer Verarbeitung, wo die Subintervalle in den Beobachtungsintervallen
in einer Zeitrichtung bewegt werden, um um 1/2 überlappt
zu werden.
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7 ist
ein Konzeptdiagramm einer Fourier-Transformation mit einer Fensterfunktion
(Rechteckfenster) zum Veranschaulichen der Inhalte einer Verarbeitung
in den in 3 veranschaulichten DFT-Verarbeitungseinheiten.
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8 ist
ein Konzeptdiagramm der Fourier-Transformation mit einer Fensterfunktion
(Hanning-Fenster) zum Veranschaulichen der Inhalte einer Verarbeitung
in den in 3 veranschaulichten DFT-Verarbeitungseinheiten.
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9 ist
ein Konzeptdiagramm der Fourier-Transformation mit einer Fensterfunktion
(Hanning-Fenster) zum Veranschaulichen der Inhalte einer Verarbeitung
in den in 3 veranschaulichten DFT-Verarbeitungseinheiten.
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10A und 10B sind
Ansichten, die Tabellen von Konstanten für die Berechnung
der diskreten Fourier-Transformation veranschaulichen, zum Veranschaulichen
der Inhalte einer Verarbeitung in den in 3 veranschaulichten
DFT-Verarbeitungseinheiten.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Hier
ist im Nachfolgenden eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung detailliert mit Verweis auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben. 1 und 2 sind Ansichten,
die schematisch eine Ausgestaltung einer Motorperipherieanlage bzw.
eine Ausgestaltung eines Steuerapparats für einen Verbrennungsmotor veranschaulichen,
zur Veranschaulichung des Steuerapparats des Verbrennungsmotors
gemäß der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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Wie
in 1 veranschaulicht, ist stromaufwärts
eines Ansaugsystems eines Verbrennungsmotors (hier im Nachfolgenden
einfach als Motor bezeichnet) 1 ein elektronisch gesteuertes
Drosselklappenventil 2 bereitgestellt, welches elektronisch
gesteuert wird, um die Menge der Ansaugluftströmung (air
intake flow) einzustellen. Ein Drosselkappenöffnungssensor 3 ist
außerdem bereitgestellt, um eine Öffnung des elektronisch gesteuerten
Drosselklappenventils 2 zu messen. Ferner ist stromaufwärts
des elektronisch gesteuerten Drosselklappenventils 2 ein
Luftströmungssensor (air flow sensor) 4 zum Messen
der Menge der Ansaugluftströmung bereitgestellt. Stromabwärts
des elektronisch gesteuerten Drosselklappenventils 2 ist
auf der Seite des Motors 1 ein Ansaugkrümmer-Drucksensor 6 zum
Messen eines Drucks in einem Ausgleichsbehälter 5 bereitgestellt.
Es können beide oder irgendeiner von dem Luftströmungssensor 4 und
dem Ansaugkrümmer-Drucksensor 6 bereitgestellt
sein.
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Ferner
ist ein elektrisch gesteuertes Abgasrückführungs-(EGR,
exhaust gas recirculation)Ventil 7 mit dem Ausgleichbehälter 5 verbunden.
In einem Einlassdurchlass stromabwärts des Ausgleichbehälters 5 ist
ein Injektor 8 zum Injizieren eines Kraftstoffs bereitgestellt.
Der Injektor 8 kann bereitgestellt sein, um direkt den Kraftstoff
in einen Zylinder des Motors 1 injizieren zu können.
Ferner sind in dem Motor 1 eine Zündspule 9, eine
Zündkerze 10, ein Kurbelwinkelsensor 11 und
ein Klopfsensor 12 bereitgestellt. Die Zündspule 9 und
die Zündkerze 10 sind bereitgestellt, um eine
Mischung in dem Zylinder des Motors 1 zu zünden.
Der Kurbelwinkelsensor 11 erfasst eine Kante einer Platte,
die für eine Kurbelwelle bereitgestellt ist, um eine Drehungsgeschwindigkeit
oder einen Kurbelwinkel des Motors zu erfassen. Der Klopfsensor 12 erfasst
die Schwingung des Motors. Anstelle des Klopfsensors 12 kann
für jeden Zylinder ein zylinderinterner Drucksensor (nicht
gezeigt) zum Erfassen eines Drucks in dem Zylinder des Motors bereitgestellt
sein.
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Wie
in 2 veranschaulicht, werden die durch den Luftströmungssensor 4 gemessene
Ansaugluftströmungsmenge, der durch den Ansaugkrümmer-Drucksensor 6 gemessene
Ansaugkrümmer-Druck, die Öffnung des elektrisch
gesteuerten Drosselklappenventils 2, die durch den Drosselklappenöffnungssensor 3 gemessen
wird, ein Puls in Synchronisation mit der Kante der Platte, die
für die Kurbelwelle bereitgestellt ist, der von dem Kurbelwinkelsensor 11 ausgegeben
wird, und eine Schwingungswellenform des Motors, die durch den Klopfsensor 12 gemessen
wird, an eine Motorsteuereinheit (hier im Nachfolgenden als ECU
bezeichnet) 13 eingegeben. Außerdem werden von
vielfältigen anderen als den oben beschriebenen Sensoren
gemessene Werte an die ECU 13 eingegeben. Ferner werden
auch Signale von den anderen Steuereinheiten (beispielsweise Steuersystemen
zur Steuerung des Automatikgetriebes, Bremssteuerung und Traktionssteuerung)
an die ECU 13 eingegeben.
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Die
ECU 13 berechnet eine Zieldrosselklappenöffnung
auf Grundlage einer Gaspedalstellung, eines Betriebszustands des
Motors und dergleichen, um das elektronisch gesteuerte Drosselklappenventil 2 zu
steuern. Die ECU 13 steuert die Öffnung des elektronisch
gesteuerten EGR-Ventils 7 gemäß dem Betriebszustand zu
dieser Zeit, steuert den Antrieb des Injektors 8, um ein
Ziel-Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu erreichen, und steuert
die Erregung der Zündspule 9, um einen Ziel-Zündzeitpunkt
zu erreichen. Die ECU 13 führt eine Funktion einer
Klopferfassungseinrichtung zum Bestimmen des Auftretens des Klopfens
auf Grundlage eines Ausgabesignals von dem Klopfsensor 12 oder
dem zylinderinternen Drucksensor (nicht gezeigt), der/die für
den Motor 1 bereitgestellt ist/sind, und eine Funktion
einer Klopfregelungseinrichtung zur Klopfregelung durch, um das Klopfen
bei der Erfassung des Klopfens zu vermeiden. Wenn das Klopfen durch
das unten beschriebene Verfahren erfasst wird, wird der Ziel-Zündzeitpunkt
verzögert festgelegt, um eine Steuerung zum Unterdrücken des
Auftretens des Klopfens durchzuführen. Ferner berechnet
die ECU 13 außerdem Anweisungswerte für vielfältige
andere Aktoren als die oben beschriebenen.
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Als
Nächstes ist mit Verweis auf 3 das Schema
der Klopferfassung und der in der ECU 13 durchgeführten
Klopfregelung beschrieben. 3 ist ein
Blockdiagramm, das eine Ausgestaltung der gesamten Klopferfassung
und der durch die ECU 13 durchgeführten Klopfregelung
veranschaulicht. 3 veranschaulicht einen Klopfsensor 12 und
die ECU 13, die in 1 bzw. 2 veranschaulicht
sind. Die Ausgestaltung des Klopferfassungs-/Klopfregelungsteilstücks
wird beschrieben. Die ECU 13 enthält vielfältige
Schnittstellenschaltkreise und einen Mikrocomputer. Der Mikrocomputer
enthält einen A/D-Wandler zum Umwandeln eines analogen
Signals in ein digitales Signal, einen ROM-Bereich zum Speichern
eines Steuerprogramms und einer Steuerkonstante, und einen RAM-Bereich
zum Speichern einer Variablen, wenn das Programm ausgeführt wird.
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Der
Schnittstellenschaltkreis enthält ein Tiefpassfilter (LPF) 14 zum
Entfernen einer Hochfrequenzkomponente eines von. dem Klopfsensor 12 ausgegebenen
Signals. Der Mikrocomputer enthält eine A/D-Umwandlungseinheit 15 und
DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b. Die A/D-Umwandlungseinheit 15 wandelt ein
durch das LPF 14 eingegebenes analoges Signal in ein digitales
Signal bei konstanten Zeitintervallen (beispielsweise jede 10 μs,
20 μs oder dergleichen) um. Jede der DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b dient als
Digital-Signalverarbeitungseinrichtung zum Durchführen
einer Zeit-Frequenz-Analyse mit Verwendung einer diskreten Fourier-Transformations-(DFT)Verarbeitung
auf dem von der A/D-Umwandlungseinheit 15 ausgegebenen
digitalen Signal, um ein Spektrum einer unterschiedlichen Klopf-spezifischen
Frequenzkomponente zu berechnen. Die A/D-Umwandlung durch die A/D-Umwandlungseinheit 15 kann
konstant durchgeführt werden oder kann nur in einer Periode
durchgeführt werden, bei der das Klopfen auftritt (beispielsweise
von TDC (top dead center, oberer Totpunkt) bis 50°CA ATDC
(after top dead center) und dergleichen; hier wird im Nachfolgenden
die Periode als ein Klopferfassungsfenster bezeichnet).
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Die
DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b, die jeweils
als die Digital-Signalverarbeitungseinrichtungen dienen, bilden
die Klopferfassungseinrichtung zusammen mit dem Tiefpassfilter 14 und
der A/D-Umwandlungseinheit 15. Jede der DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b hat
die Funktionen einer Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung
(nicht gezeigt) und einer Mehrfrequenz-Simultananalyseeinrichtung (nicht
gezeigt). Die Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung teilt
die Daten auf, die durch die A/D-Umwandlung erhalten sind, die durch
die A/D-Umwandlungseinheit 15 durchgeführt ist,
um Beobachtungsintervalle festzulegen, die jeweils eine vorbestimmte
Anzahl von Abtastwerten enthalten. Die Mehrfrequenz-Simultananalyseeinrichtung
analysiert gleichzeitig mehrfache Frequenzen mittels der DFT für
jedes der durch die Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung
festgelegten Beobachtungsintervalle. Durch die Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung
kann die Anzahl der in jedem der Beobachtungsintervalle enthaltenen Abtastwerte
gemäß der zu analysierenden Frequenz geändert
werden. Die Details eines DFT-Verarbeitungsverfahrens durch die
DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b sind unten
beschrieben.
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Der
Mikrocomputer enthält außerdem Peak-Hold-Einheiten
(Spitzen-Halte-Einheiten) 17a und 17b, Mittelungseinheiten 18a und 18b und
Schwellenberechnungseinheiten 19a und 19b. Die
Peak-Hold-Einheit 17a berechnet einen Peak-Hold-Wert (Spitzen-Halte-Wert)
VPa des Ergebnisses der DFT-Verarbeitung
durch die DFT-Verarbeitungseinheit 16a, wohingegen die
Peak-Hold-Einheit 17b einen Peak-Hold-Wert VPb des
Ergebnisses der DFT-Verarbeitung durch die DFT-Verarbeitungseinheit 16b berechnet.
Die Mittelungseinheiten 18a und 18b führen
eine Filterungsverarbeitung auf den von den Peak-Hold-Einheiten 17a bzw. 17b ausgegebenen
Peak-Hold-Werten mittels der folgenden Formel (1) durch, um die
Peak-Hold-Werte zu mitteln. Die Schwellenberechnungseinheit 19a erhält
einen Schwellenwert VTHa für die
Bestimmung eines Klopfens mittels der folgenden Formel (2) auf Grundlage
einer Ausgabe VBGLa von der Mittelungseinheit 18a,
wohingegen die Schwellenberechnungseinheit 19b einen Schwellenwert
VTHb für die Bestimmung eines Klopfens
mittels der folgenden Formel (2) auf Grundlage einer Ausgabe VBGLb von der Mittelungseinheit 18b erhält.
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[Formel 1]
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- VBGLa,b(n)
= Kl × VBGLa,b(n – 1)
+ (1 – K1) × VPa,b(n) (1)wobei
VBGL(n) ein Filterwert ist, VP(n) ein
Peak-Hold-Wert und Kl ein Mittelungsfaktor
ist.
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[Formel 2]
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- VTHa,b(n)
= VBGLa,b(n) × Ktha,b +
Vofs a,b (2)wobei
VTH(n) ein Schwellenwert ist, Kth ein
Schwellenfaktor ist, und Vofs ein Schwellenversatz
ist.
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Der
Mikrocomputer enthält außerdem Vergleichsoperationseinheiten 20a und 20b,
Verzögerungsbetrag-pro-Zündung-Berechnungseinheiten 21a und 21b und
Klopfverzögerungsbetrag-Berechnungseinheiten 22a und 22b.
Die Vergleichsoperationseinheit 20a vergleicht den Peak-Hold-Wert
VPa von der Peak-Hold-Einheit 17a und
den Schwellenwert VTHa von der Schwellenberechnungseinheit 19a miteinander,
um das Auftreten/Nicht-Auftreten eines Klopfens auf Grundlage der
folgenden Formel (3) zu bestimmen, um ein Signal VKa gemäß einer
Klopfintensität auszugeben. Die Vergleichsoperationseinheit 20b vergleicht
den Peak-Hold-Wert VPb von der Peak-Hold-Einheit 17b und
den Schwellenwert VTHb von der Schwellenberechnungseinheit 19b miteinander,
um das Auftreten/Nicht-Auftreten eines Klopfens auf Grundlage der
folgenden Formel (3) zu bestimmen, um ein Signal VKb gemäß einer
Klopfintensität auszugeben. Die Verzögerungsbetrag-pro-Zündung-Berechnungseinheit 2la berechnet
den Betrag einer Verzögerung ΔθRa gemäß der Klopfintensität
für eine Zündung durch die folgende Formel (4)
aus dem Ergebnis der Klopfbestimmung Vka der
Vergleichsoperationseinheit 20a, wohingegen die Verzögerungsbetrag-pro-Zündung-Berechnungseinheit 21b den
Betrag einer Verzögerung ΔθRb gemäß der
Klopfintensität für eine Zündung durch
die folgende Formel (4) aus dem Ergebnis der Klopfbestimmung Vkb der Vergleichsoperationseinheit 20b bestimmt.
Die Klopfverzögerungsbetrag-Berechnungseinheit 22a integriert
die Verzögerungsbeträge für eine Zündung ΔθRa von der Verzögerungsbetrag-pro-Zündung-Berechnungseinheit 21a,
um einen Klopfkorrekturbetrag θRa für
den Zündzeitpunkt zu berechnen. Auf dieselbe Weise integriert
die Klopfverzögerungsbetrag-Berechnungseinheit 22b die
Verzögerungsbeträge für eine Zündung ΔθRb von der Verzögerungsbetrag-pro-Zündung-Berechnungseinheit 21b,
um einen Klopfkorrekturbetrag θRb für
den Zündzeitpunkt zu berechnen. Jede der Klopfverzögerungsbetrag-Berechnungseinheiten 22a und 22b kehrt
zum Vorstellen des Zündzeitpunkts zurück, wenn
das Klopfen nicht auftritt.
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[Formel 3]
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- VKa,b(n)
= VPa,b(n) – VTHa,b(n) (3)wobei VK(n) eine Klopfintensität ist (das
Auftreten eines Klopfens wird bestimmt, wenn VK(n) > 0 ist).
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[Formel 4]
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- ΔθRa,b(n) = VKa,b(n)/VTHa,b(n) × Kg
a,b (4)wobei ΔθR(n) der Betrag einer Verzögerung
für eine Zündung ist, und Kg ein
Verzögerungsbetrags-Reflektionsfaktor ist.
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[Formel 5]
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- θRa,b(n)
= θRa,b(n – 1) + ΔθRa,b(n) – Ka a,b (5)wobei θR(n) ein Klopfkorrekturbetrag ist, und Ka eine Vorstellrückkehrkonstante
ist.
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Für
die somit berechneten Klopfkorrekturbeträge θRa und θRb für
unterschiedliche Klopf-spezifische Frequenzen verwendet die ECU 13 einen
größeren Klopfkorrekturbetrag, um den endgültigen
Zündzeitpunkt θIG durch
die folgende Formel (6) zu berechnen.
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[Formel 6]
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- θIG = θB – max{θRa(n), θRb(n)} (6)wobei θB ein Grund-Zündzeitpunkt ist.
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Das
Verfahren, um zu bewirken, dass die ECU 13 die Klopferfassung
mit Verwendung des Ergebnisses einer Spektrumsberechnung durch die
DFT und die Klopfregelung zum Verzögern des Zündzeitpunkts
zum Unterdrücken des Klopfens realisiert, ist oben beschrieben
worden.
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Als
Nächstes werden die Details des DFT-Verarbeitungsverfahrens
durch die DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b beschrieben. 4 veranschaulicht
eine Verarbeitung von der Ausführung der DFT-Verarbeitung
durch die DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b auf
dem Ergebnis der A/D-Umwandlung (durch das Bezugszeichen 15 in 5 bezeichnet)
während der Klopferfassungsperiode (Fensteröffnungsperiode) für
jedes der Beobachtungsintervalle, um ein Spektrum zu berechnen,
bis zu der Berechnung der Peak-Hold-Werte durch die Peak-Hold-Einheiten 17a und 17b.
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Wie
in 4 veranschaulicht, führt die A/D-Umwandlungseinheit 15 die
A/D-Umwandlung (siehe (c) von 4) auf dem
Klopfsensorsignal (siehe (b) von 4) beispielsweise
jede 20 μs in der Klopferfassungsperiode (Fensteröffnungsperiode)
(siehe (a) von 4) durch. Für das in
die A/D-Umwandlungseinheit 15 geladene Klopfsensorsignal
verwenden als Nächstes die DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b die
Funktion der Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung, um das
Klopfsensorsignal aufzuteilen, um Beobachtungsintervalle a und b
festzulegen, die jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Abtastwerten
enthalten. Dann verwenden die DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b die
Funktion der Mehrfrequenz-Simultananalyseeinrichtung, um gleichzeitig
mehrfache Frequenzen mittels der diskreten Fourier-Transformation
für jedes der Beobachtungsintervalle zu analysieren, um
Spektren für die vorbestimmte Anzahl von Abtastwerten zu
berechnen. Dann berechnen die Peak-Hold-Einheiten 17a und 17b die
Spektrumsmaximumwerte in der Klopferfassungsperiode (Fensteröffnungsperiode)
als einen Peak-Hold-Wert a und einen Peak-Hold-Wert b (siehe (d)
und (e) von 4).
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Jede
der DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b verwendet
die Funktion der Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung, um
jedes in dem Beobachtungsintervall enthaltene Subintervall in einer
Zeitrichtung zu bewegen, um das Subintervall mit dem vorherigen
Subintervall um 1/2 überlappen zu lassen. Dieses ist eine
Behandlung, um die Zeitgenauigkeit zu verbessern, weil die Genauigkeit
in der Zeitrichtung abnimmt, wenn das Beobachtungsintervall einfach
aufgeteilt wird, um die Subintervalle in einer fortlaufenden Weise
bereitzustellen (beispielsweise wenn nur Subintervalle ta1, ta3
und ta5 in dem Beobachtungsintervall a verwendet werden). In 4 sind
die Subintervalle um 1/2 überlappt. Wie in dem Beobachtungsintervall
b in 6 können die Subintervalle jedoch beispielsweise
um 2/3 gemäß einer zu analysierenden Frequenz überlappt sein
(siehe (e) von 6). Spektren sa1 bis sa5 sind
jeweilige Spektren in Subintervallen ta1 bis ta5 in dem Beobachtungsintervall
a. Ähnlich sind Spektren sb1 bis sb11 jeweilige Spektren
in Subintervallen tb1 bis tb11 in dem Beobachtungsintervall b.
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Ein
Verfahren zum Auswählen der Anzahl von Abtastwerten N in
den Beobachtungsintervallen a und b in den DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b wird
beschrieben. 5 zeigt die Beziehung zwischen
der Anzahl der in dem Beobachtungsintervall enthaltenen Abtastwerte
N, der Anzahl von Wellen k einer Basisfunktion der Fourier-Transformation,
die durch die Anzahl von Abtastwerten N reproduziert wird, und einer
zu analysierenden Frequenz fk [khz].
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In 5 ist
die zu analysierende Frequenz fk [khZ] nur bis 25 kHz gezeigt, weil
Aliasing in einem Bereich gleich oder höher als 25 kHz
auftritt, wenn die Abtastung bei 50 kHz durchgeführt wird.
Die Anzahl der Abtastwerte N ist beispielsweise 16 bis 36 (auf einer
4-zu-4-Basis). Jedoch ist die Anzahl von Abtastwerten N nicht erforderlicher
Weise darauf beschränkt.
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Der
Fall, wo die Anzahl von Abtastwerten auf 32 festgelegt ist, wird
als eine Referenz genommen. Der Grund, warum N = 32 als die Referenz
genommen wird, ist wie folgt. Die FFT wird allgemein für
die Frequenzanalyse mit Verwendung der digitalen Signalverarbeitung
verwendet. Als Randbedingungen der FFT muss die Anzahl der Abtastwerte
N eine Potenz von zwei sein und muss außerdem über
sämtliche Frequenzbänder konstant sein. Um ein
Problem bei der FFT zu zeigen, wird N = 32 als Referenz verwendet.
Da die DFT anstelle der FFT in der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, existieren die oben erwähnten Randbedingungen nicht. Wenn
sämtliche Frequenzbänder zu analysieren sind,
wird jedoch der Berechnungsaufwand unvorteilhafter Weise enorm groß im
Vergleich mit dem Berechnungsaufwand der FFT. Deshalb wird in dieser
Ausführungsform die DFT nur für zwei Frequenzbänder
ausgeführt. Als ein Ergebnis kann eine erforderliche Anzahl
von Frequenzbändern gleichzeitig mit einem erforderlichen
minimalen Berechnungsaufwand analysiert werden. Ferner wird der
Freiheitsgrad bei der Auswahl der Anzahl von Abtastwerten N verbessert.
Die Anzahl der Frequenzbänder ist nicht auf zwei beschränkt.
Mehrfache Frequenzbänder können auch gleichzeitig
analysiert werden.
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Mit
Verweis auf eine Spalte von N = 32 in 5 ist die
zu analysierende Frequenz fk = 0 bis 25 kHz in siebzehn Schritte
aufgeteilt. Allgemein wird es erachtet, dass eine Klopf-spezifische
Frequenz häufig in dem Bereich von 5 bis 15 kHz enthalten
ist. Deshalb wird in diesem Fall erachtet, dass ein Frequenzband
von ungefähr 6,25 kHz (k = 4) bis 14,06 kHz (k = 9) für
die Klopferfassung verwendet werden kann.
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Nun
sind zwei Probleme vorstellbar. Das erste Problem ist, dass ein
gewünschtes Frequenzband manchmal nicht ausgewählt
werden kann, weil die Frequenzschrittgröße 1,56
kHz ist. Wenn beispielsweise 7 kHz gewünscht wird, als
eine Klopf-spezifische Frequenz ausgewählt zu werden, sind
die Optionen auf 6,25 kHz (k = 4) und 7,81 kHz (k = 5) beschränkt.
Das zweite Problem ist eine relativ geringe Zeitauflösung
auf der Hochfrequenzseite bzw. der Seite der hohen Frequenz. Wenn
6,25 kHz (k = 4) und 12,5 kHz (k = 8) miteinander verglichen werden,
wird die Anzahl der in demselben Beobachtungsintervall enthaltenen
Wellen verdoppelt, was eine Differenz in der Zeitauflösung
hinsichtlich der Frequenzauflösung zeigt.
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Um
die oben erwähnten Probleme zu lösen, ist ein
Schlüssel der vorliegenden Erfindung, dass die Anzahl der
in dem Beobachtungsintervall enthaltenen Abtastwerte N, die Anzahl
der Wellen k der Basisfunktion der Fourier-Transformation, die durch
die Anzahl von Abtastwerten N reproduziert wird, und die zu analysierende
Frequenz fk [khZ] auf Grundlage der Tabelle in 5 ausgewählt
sind. Wenn beispielsweise 7 kHz gewünscht wird, als die
klopf-spezifische Frequenz ausgewählt zu werden, wird ein
Punkt, der N = 28 und k = 4 erfüllt, ausgewählt,
um 7,14 kHz als die zu analysierende Frequenz auszuwählen,
oder ein Punkt, der N = 36 und k = 5 erfüllt, wird ausgewählt,
um 6,94 kHz auszuwählen. Als ein Ergebnis kann ein Frequenzband
näher der klopf-spezifischen Frequenz im Vergleich mit
dem Fall analysiert werden, wo die Anzahl von Abtastwerten N auf
32 fixiert ist.
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Wenn
12,5 kHz als die klopf-spezifische Frequenz ausgewählt
wird, wird als Nächstes ein Punkt, der N = 16 und k = 4
oder N = 20 und k = 5 erfüllt, anstelle der Auswahl eines
Punkts ausgewählt, der N = 32 und k = 8 erfüllt.
Als ein Ergebnis kann gesagt werden, dass der Ausgleich zwischen
der Zeitauflösung und der Frequenzauflösung verbessert
werden kann. Genauer genommen wird eine Änderung in der
Schwingungsintensität schneller mit höher werdender
Frequenz. Deshalb wird die Analyseperiode auf der Hochfrequenzseite im
Vergleich mit der Analyseperiode auf der Niedrigfrequenzseite kürzer
festgelegt, um eine rasche Änderung bei der hohen Frequenz
zu erfassen. Wie oben beschrieben, ist die Anzahl der in dem Beobachtungsintervall enthaltenen
Wellen auf eine vorbestimmte Anzahl fixiert (beispielsweise ungefähr
4 bis 6 in einem Bereich in einem dicken Rahmen in 5).
Als ein Ergebnis können erforderliche und ausreichende
Zeitauflösungen und Frequenzauflösungen für
die Analyse der Klopffrequenz sichergestellt werden. Der Freiheitsgrad
bei der Auswahl der zu analysierenden Frequenz wird im Vergleich
mit der FFT mit der fixierten Anzahl von Abtastwerten auf 32 erhöht.
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Der
Ansatz zum Fixieren der Anzahl von Wellen auf eine konstante Anzahl,
wie oben beschrieben, wird im Allgemeinen Wavelet-Transformation
genannt. Jedoch hat die Wavelet-Transformation ein Problem darin,
dass der Auswahlbereich der zu analysierenden Frequenz reduziert
ist, weil die Anzahl der Wellen k fixiert ist und die zu analysierende
Frequenz fk gemäß der Anzahl von Abtastwerten
N ausgewählt wird. Deshalb kann in der vorliegenden Erfindung
die Anzahl von Abtastwerten N und die Anzahl von Wellen k wie oben
beschrieben frei ausgewählt werden.
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Als
Nächstes wird ein Verfahren beschrieben, um die DFT-Verarbeitungseinheiten
16a und
16b zu
veranlassen, die DFT-Verarbeitung für jedes der durch die
Aufteilung erhaltenen Beobachtungsintervalle mit Verwendung des
oben erwähnten Verfahrens durchzuführen. Es ist
bekannt, dass die diskrete Fourier-Transformation im Allgemeinen
durch die folgende Formel (7) durchgeführt wird. [Formel
7]
wobei x(n) ein Eingabesignal ist, N die Anzahl
von Abtastwerten in dem Beobachtungsintervall ist, n eine Abtastwertnummer
in dem Beobachtungsintervall ist, und k die Anzahl von Wellen der
Basisfunktion in dem Beobachtungsintervall ist. Die Aufteilung des
Eingabesignals in die Beobachtungsintervalle ist äquivalent
zu der Anwendung des sogenannten Rechteckfensters. Wenn w(n) als
eine Fensterfunktion verwendet wird, kann deshalb Formel (7) als
die folgenden Formeln (8) und (9) geschrieben werden.
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7 ist
ein Konzeptdiagramm der Fourier-Transformation mit einer Fensterfunktion
(Rechteckfenster), welches ein Bild der durch die obigen Formeln
ausgedrückten Verarbeitung zeigt. In 7 zeigt
(a) die Fensterfunktion, zeigt (b) das Eingabesignal, zeigt (c)
das Eingabesignal (A/D-Wert) × die Fensterfunktion, und zeigt
(d) die Basisfunktion.
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Da
diskontinuierliche Punkte bzw. Stellen in dem Fall des Rechteckfensters
zu der Zeit der Ausführung der Fourier-Transformation erzeugt
werden, wird im Allgemeinen eine Fensterfunktion erzeugt, die nicht
den diskontinuierlichen Punkt erzeugt (beispielsweise ein Hanning-Fenster). 8 zeigt
ein Bild, wenn das Hanning-Fenster verwendet wird. In 8 zeigt
(a) die Fensterfunktion (Hanning-Fenster), zeigt (b) das Eingabesignal,
zeigt (c) das Eingabesignal (A/D-Wert) × die Fensterfunktion,
und zeigt (d) die Basisfunktion. Wie oben beschrieben, wird bei
der diskreten Fourier-Transformation, nachdem das Ergebnis der Anwendung
des Hanning-Fensters auf das Eingabesignal mit der Basisfunktion
multipliziert ist, die Integration durchgeführt. Ein Absolutwert
des Ergebnisses der Integration wird ein Spektrum genannt. Das Hanning-Fenster
wird durch die folgende Formel (10) ausgedrückt.
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Gemäß dem
oben erwähnten Verfahren wird die Integration durchgeführt,
nachdem das Ergebnis der Anwendung des Hanning-Fensters auf das
Eingabesignal mit der Basisfunktion multipliziert ist. Deshalb wird der
Berechnungsaufwand unausweichbar erhöht. Deshalb sind Konstanten,
die mittels Multiplizieren der Basisfunktion mit dem Hanning-Fenster
als die Fensterfunktion erhalten sind, als eine Tabelle in einem
Speicherungsbereich (nicht gezeigt) in jeder der DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b gespeichert.
Zum gleichzeitigen Analysieren der Vielzahl von Frequenzen mittels
der diskreten Fourier-Transformation mit Verwendung der Mehrfrequenz-Simultananalyseeinrichtung
wird das Eingabesignal mit der vorgespeicherten Konstante multipliziert,
und dann wird die Integration durchgeführt. Als ein Ergebnis
kann der Berechnungsaufwand reduziert werden. 9 zeigt
ein Bild der Verarbeitung, wohingegen 10 ein
Beispiel der Tabellen zeigt (wenn die Anzahl der Abtastwerte 16 ist).
In 9 zeigt (a) die Fensterfunktion (Hanning-Fenster),
zeigt (b) das Eingabesignal, zeigt (c) das Eingabesignal (A/D-Wert),
zeigt (d) die Basisfunktion × die Fensterfunktion, und
zeigt (e) die Basisfunktion. Die in 10A und 10B gezeigten Tabellen entsprechen DFT-Berechnungskonstanten
Kwc(n) und Kws(n) in dem ersten Term und dem zweiten Term der rechten
Seite der Formel (8). Auf diese Weise kann die DFT-Verarbeitung
mit einem reduzierten Berechnungsaufwand ausgeführt werden.
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Wie
oben beschrieben, führen gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die DFT-Verarbeitungseinheiten 16a und 16b,
die als die Digital-Signalverarbeitungseinrichtung dienen, die Funktionen
der Beobachtungsintervall-Festlegungseinrichtung zum Aufteilen der
A/D-umgewandelten Daten, um Beobachtungsintervalle festzulegen,
die jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Abtastwerten enthalten,
und der Mehrfrequenz-Simultananalyseeinrichtung zum gleichzeitigen Analysieren
der mehrfachen Frequenzen durch die diskrete Fourier-Transformation
für jedes der festgelegten Beobachtungsintervalle durch.
Darüber hinaus wird die Anzahl der in dem Beobachtungsintervall
enthaltenen Abtastwerte gemäß der zu analysierenden
Frequenz geändert. Deshalb hat die vorliegende Erfindung
exzellente Effekte zum Erhalten der Klopferfassungseinrichtung,
die fähig ist zum Sicherstellen erforderlicher und ausreichender
Zeit- und Frequenzauflösungen für die Analyse
der Klopffrequenz mit reduziertem Berechnungsaufwand und Speicheraufwand
und sogar zum Erhöhen der Auswahlanzahl der zu analysierenden
Frequenz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-357156 [0002]
- - JP 3093467 [0002]
- - JP 3098104 [0002]
