(57)【要約】【課題】コストや空間レイアウト、信頼性の問題を解決しつつ、触媒コンバータの温度を早期に上昇させる。【解決手段】排気通路５に設置された触媒コンバータ１３と、燃焼室３に水素ガスを供給可能なガス燃料噴射弁９を具備し、触媒コンバータ１３の活性が低い場合は、ガス燃料噴射弁９から噴射された水素ガスを未燃の状態で触媒コンバータ１３に導入する。これによって、触媒コンバータ１３に未燃の水素を供給することが可能になり、コストや空間レイアウト、信頼性の問題を解決しつつ、触媒コンバータ１３上での発熱を伴った水素の酸化反応により触媒コンバータ１３の温度を早期に上昇させることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を含んだ可燃ガスを燃料、もしくは燃料の一部として運転する内燃機関において、排気を浄化する目的で排気通路に設置された触媒コンバータと、燃焼室に該可燃ガスを供給可能な噴射弁を具備し、
前記触媒コンバータの活性が低い場合は、前記可燃ガスへの点火を停止し、該可燃ガスを前記触媒コンバータに導入することを特徴とする内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項２】
水素を含んだ可燃ガスを供給可能な噴射弁を燃焼室に具備し、排気弁が開いている気筒にのみ該可燃ガスを噴射することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項３】
内燃機関の停止時に、燃料噴射を停止した運転を少なくと１サイクル以上行うことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項４】
前記触媒コンバータの活性が低い場合は、所定の期間、１燃焼サイクル毎に点火を停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項５】
前記触媒コンバータの活性が低い場合は、所定の期間、一部の気筒の点火を停止することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項６】
前記触媒コンバータの活性が低いほど、前記可燃ガスを前記触媒コンバータに導入する期間を長くすることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項７】
前記触媒コンバータの温度を検出可能な触媒温度検出手段を有し、前記触媒コンバータの温度が所定温度を超えた場合に、前記可燃ガスを当該触媒コンバータに導入することを中止することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項８】
前記所定温度は、前記可燃ガスの着火温度であることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【請求項９】
前記触媒コンバータの下流側の排気ガスを主な熱源とし、触媒上の脱水素反応もしくは分解反応によって水素を含んだ可燃ガスを生成可能な燃料改質手段を有し、前記触媒の触媒温度が所定の温度よりも低い場合には、前記可燃ガスへの点火を停止し、該可燃ガスを前記触媒コンバータに導入することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の触媒暖機装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒コンバータの酸化・還元・吸着効果によって有害排気成分の浄化を行う内燃機関において、触媒の排気浄化能力つまり触媒活性は温度と強い相関がある。特に触媒が冷えている冷間始動時の排気性能は、触媒の暖機性能の影響が大きい。そのため、一般には、始動時に点火時期を遅角化することで排気温度を高めて、高温のガスを通過させることで触媒暖機を早期化するという手段が講じられている。しかし、近年の厳しい排気規制強化には前記手段のみでは対応が困難になりつつあり、膨張行程後期に追加噴射を行い排ガス中の未燃燃料量を増加せしめ、触媒上で未燃燃料が酸化反応することで触媒暖機を早めるという法が実施されている。しかし、一部の未燃燃料が触媒上で反応せずにすり抜けて放出されるという課題があった。そこで、ガソリンや軽油のような複雑な分子構造を有した炭化水素燃料ではなく、構造が単純であり反応速度の速い水素が注目されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、触媒の前に水素供給路と点火栓を設置し、触媒前で燃焼せしめることで触媒の暖機を早める手段が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１１７２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、触媒暖機専用の水素供給路は、暖機が完了すれば他に用途がないためコストや空間レイアウトへの負担が大きく、また、運転負荷によっては１０００℃近い高温にさらされ続けるため信頼性の課題も大きい。
【０００６】
そこで本願発明は、水素を炭化水素燃料に混合もしくは単独で燃焼せしめる内燃機関において触媒に水素を供給する水素供給手段と燃焼室に水素を供給する供給する手段を兼用することでコストや空間レイアウト、信頼性の問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明は、水素を含んだ可燃ガスを燃料、もしくは燃料の一部として運転する内燃機関において、排気通路に設置された触媒コンバータの活性が低い場合は、前記可燃ガスへの点火を停止し、該可燃ガスを前記触媒コンバータに導入することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、触媒コンバータに水素を供給する手段と、燃焼室に水素を供給する手段とを兼用することがでコストや空間レイアウト、信頼性の問題を解決しつつ、触媒コンバータを水素を用いて暖機することができる。すなわち、水素が未燃のまま排気弁を通過し、触媒コンバータに供給することが可能になり、コストや空間レイアウト、信頼性の問題を解決しつつ、触媒コンバータ上での発熱を伴った水素の酸化反応により触媒コンバータの温度を早期に上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る内燃機関の触媒暖機装置のシステム構成の概略を示す説明図。
【図２】本発明の第１実施形態を模式的に示した説明図。
【図３】本発明の第１実施形態における制御の流れを示すフローチャート。
【図４】本発明の第２実施形態を模式的に示した説明図。
【図５】本発明の第２実施形態における制御の流れを示すフローチャート。
【図６】本発明の第３実施形態を模式的に示した説明図。
【図７】本発明の第３実施形態における制御の流れを示すフローチャート。
【図８】本発明に係る内燃機関の触媒暖機装置の第４実施形態におけるシステム構成の概略を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を図面い基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る内燃機関の触媒暖機装置のシステム構成の概略を示す説明図である。
【００１１】
内燃機関１のピストン２により形成される燃焼室３には、吸気弁４を介して吸気通路５が接続され、かつ排気弁６を介して排気通路７が接続されている。
【００１２】
燃焼室３には、点火プラグ８とガス燃料噴射弁９が配置されている。つまり、各気筒毎にガス燃料噴射弁９が配置されている。そして、ガス燃料噴射弁９には、水素タンク１０から水素が供給されている。
【００１３】
吸気通路５には、主燃料であるガソリンを噴射するガソリン噴射弁１１が配置されている。ガソリン噴射弁１１には、ガソリンタンク１２からガソリンが供給されている。
【００１４】
排気通路７の下流には、排気ガスを浄化する触媒コンバータ１３が介装されている。触媒コンバータ１３には、当該触媒コンバータ１３の触媒温度、すなわち当該触媒コンバータ１３の温度を検知する触媒温度センサ１４が取り付けられている。触媒温度センサ１４の検出値は、ＥＣＵ１５に入力されている。
【００１５】
ＥＣＵ１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力インターフェースを備えた周知のデジタルコンピュータであり、各種のセンサ類の検出信号に基づいて、ガス燃料噴射弁９やガソリン噴射弁１１の燃料噴射量や噴射時期、点火プラグ８の点火時期、等を制御する。
【００１６】
そして、本発明の第１実施形態においては、運転者によるエンジンキーのキーＯＮ時に、触媒コンバータ１３の触媒活性が低いと判断された場合、すなわち触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度に達していない場合には、触媒コンバータ１３の活性化を図るべく、図２に示すように、排気弁６の開いている気筒のガス燃料噴射弁９から水素ガスを噴射し、触媒コンバータ１３に水素を供給する。
【００１７】
これによって、水素が未燃のまま排気弁６を通過し、触媒コンバータ１３に未燃の水素を供給することが可能になるので、触媒コンバータ１３上での発熱を伴った水素の酸化反応により触媒コンバータ１３の温度を早期に上昇させることができる。また、排気弁６が開いている気筒に水素ガスを噴射するため、排気弁６が閉じている気筒で水素が筒内に充満し、始動時のトルク変動の要因や、吸気側に逆流して逆火の要因になることを防止することができる。
【００１８】
そして、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度に達すると、クランキング始動を開始する。つまり、触媒コンバータ１３の活性が低いほど、未燃の水素ガスを触媒コンバータ１３に導入する期間が長くなるように設定されている。そのため、触媒コンバータ１３の温度の過大な上昇を抑制することができる。
【００１９】
また、前記所定温度を水素ガスの着火温度に設定すれば、触媒コンバータ１３を着火源に排気通路７内で水素が燃えて配管から放熱し、触媒コンバータ１３の昇温エネルギーをロスしてしまうことを防止することができる。
【００２０】
図３は、この第１実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。
【００２１】
ステップ１１（以下、単にＳと記す）では、運転者によるエンジンキーに操作いよりキーＯＮとなったか否かを判定し、キーＯＮ操作がされたと判定された場合、つまりエンジン始動のタイミングであると判定された場合には、Ｓ１２へ進み、そうでない場合には今回のルーティンを終了する。ここで、Ｓ１１では、ｎ＝１とする。ｎは、内燃機関１のどの気筒であるかを区別するものであり、内燃機関１の気筒数以下の自然数をとる。つまり、ｎ＝１は、内燃機関１の１番気筒を意味するものである。この第１実施形態においては、内燃機関１はＶ型６気筒なので、ｎは６以下の自然数となる。
【００２２】
Ｓ１２では、触媒コンバータ１３の活性が低いか否か、つまり触媒コンバータ１３が活性化されているか否かを判定し、活性化されている場合はＳ１８へ進み、活性化されていない（活性が低い）場合はＳ１３へ進む。詳述すると、Ｓ１２では、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度に達しているか否かを判定し、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度以上の場合にはＳ１８へ進み、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度未満の場合にはＳ１３へ進む。
【００２３】
Ｓ１３では、ｎ番気筒の排気弁６が開いているか否かを判定し、ｎ番気筒の排気弁６が開いている場合にはＳ１４へ進み、そうでない場合にはＳ１５へ進み。
【００２４】
Ｓ１４では、ｎ番気筒のガス燃料噴射弁９から水素ガスを噴射し、Ｓ１５へ進む。
【００２５】
Ｓ１５では、ｎ＝ｎ＋１としてＳ１６へ進み、Ｓ１６でｎが６よりも大きいと判定されたら場合にはＳ１７へ進みｎ＝１としてＳ１２へ進み、Ｓ１６でｎが６以下と判定された場合にはＳ１２へ進む。
【００２６】
つまり、内燃機関１の始動時においては、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度となるまで、内燃機関１の各気筒について排気弁６が開いているか順次判定していき、排気弁６が開いている気筒では、その都度ガス燃料噴射弁９から水素ガスを噴射する。
【００２７】
そして、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度以上となると、Ｓ１８に進んでクランキングを開始し、Ｓ１９で点火プラグ８による点火を開始する。尚、Ｓ１８へ進むと、ガス燃料噴射弁９からの水素ガスの噴射は終了する。
【００２８】
以下、本発明の他の実施形態について説明するが、上述した第１実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付し重複する説明を省略する。
【００２９】
次に本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、上述した第１実施形態と略同一構成となっているが、図４に示すように、ガス燃料噴射弁９が吸気通路５に設けられている。そして、運転者によるエンジンキーのキーＯＮ時に、触媒コンバータ１３の触媒活性が低いと判断された場合、クランキングを開始し、ガス燃料噴射弁９から水素ガスを噴射して触媒コンバータ１３に水素を供給する。このとき燃焼室３に配置されたガソリン噴射弁１１からは燃料噴射を行わず、点火プラグ８も点火しない。つまり、触媒コンバータ１３が活性化するまで、モータリングを行い、ガス燃料噴射弁９から噴射された水素ガスを触媒コンバータ１３に供給する。
【００３０】
このような第２実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に水素の酸化反応により触媒コンバータ１３の温度を早期に上昇させることができる。
【００３１】
図５は、この第２実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。
【００３２】
ステップ２１では、運転者によるエンジンキーに操作いよりキーＯＮとなったか否かを判定し、キーＯＮ操作がされたと判定された場合、つまりエンジン始動のタイミングであると判定された場合には、Ｓ２２へ進み、そうでない場合には今回のルーティンを終了する。
【００３３】
Ｓ２２では、触媒コンバータ１３の活性が低いか否か、つまり触媒コンバータ１３が活性化されているか否かを判定し、活性化されている場合はＳ２５へ進み、活性化されていない（活性が低い）場合はＳ２３へ進む。Ｓ２３ではクランキングを開始し、Ｓ２４へ進む。Ｓ２４では、水素ガスの噴射を開始し、Ｓ２２へ進む。
【００３４】
つまり、内燃機関１の始動時においては、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度となるまで、モータリングを行い、このモータリング中に水素ガスのみを噴射することで、触媒コンバータ１３に水素を供給する。
【００３５】
そして、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度以上となると、Ｓ２５に進んでガソリンの噴射を開始すると共に、点火プラグ８による点火を開始する。尚、Ｓ２５へ進むと、ガス燃料噴射弁９からの水素ガスの噴射は終了する。
【００３６】
次に本発明の第３実施形態について説明する。この第３実施形態は、上述した第１実施形態と略同一構成となっているが、ガソリン噴射弁１１が各気筒の筒内に直接燃料を噴射できるように配置されている。また、水素ガスを噴射するガス燃料噴射弁９が、２番気筒と５番気筒に配置されている。
【００３７】
そして、運転者によるエンジンキーのキーＯＮ時に、触媒コンバータ１３の触媒活性が低いと判断された場合、図６に示すように、２番気筒と５番気筒のガソリン噴射及び点火を停止し、２番気筒と５番気筒については、触媒コンバータ１３が活性化するまで、水素ガスのみを噴射する。つまり、触媒コンバータ１３が活性化するまで、２番気筒及び５番気筒の気筒休止を行うと共に、気筒休止中の２番気筒及び５番気筒内に噴射した水素ガスを触媒コンバータ１３に供給する。
【００３８】
このような第３実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、触媒コンバータ１３の温度を早期に上昇させることができる。
【００３９】
図７は、この第３実施形態における制御の流れを示すフローチャートである。
【００４０】
ステップ３１では、運転者によるエンジンキーに操作いよりキーＯＮとなったか否かを判定し、キーＯＮ操作がされたと判定された場合、つまりエンジン始動のタイミングであると判定された場合には、Ｓ３２へ進み、そうでない場合には今回のルーティンを終了する。
【００４１】
Ｓ３２では、触媒コンバータ１３の活性が低いか否か、つまり触媒コンバータ１３が活性化されているか否かを判定し、活性化されている場合はＳ３６へ進み、活性化されていない（活性が低い）場合はＳ３３へ進む。
【００４２】
Ｓ３３〜Ｓ３５では、気筒停止及び気筒停止した気筒での水素ガスの噴射を実施する。詳述すると、この第３実施形態においては、Ｖ型６気筒の内燃機関１の２番気筒及び５番気筒の気筒停止を実施する。具体的には、２番気筒及び５番気筒については、ガス燃料噴射弁９から水素ガスの噴射は実施するが、ガソリン噴射弁１１からのガソリンの噴射は実施せず、点火プラグ８による点火も実施しない。１番気筒、３番気筒、４番気筒、６番気筒については、ガソリン噴射弁１１からのガソリンの噴射及び点火プラグ８による点火を実施するが、水素ガスの噴射供給はない。
【００４３】
そして、触媒コンバータ１３の温度が予め設定された所定温度以上となると、Ｓ３６へ進み、全ての気筒でガソリン噴射弁１１からのガソリンの噴射及び点火プラグ８による点火を実施すると共に、ガス燃料噴射弁９から水素ガスの噴射は実施しない通常始動を開始する。
【００４４】
次に本発明の第４実施形態について説明する。この第４実施形態は、上述した第１実施形態と略同一構成となっているが、図８に示すように、ガス燃料噴射弁９が吸気通路５に設けられ、ガソリン噴射弁１１が各気筒の燃焼室３に設けられている。
【００４５】
そして、触媒コンバータ１３の下流側には、燃料改質手段としての燃料改質器２０が配置されている。この燃料改質器２０は、触媒コンバータ１３下流の排気ガスの熱を利用した燃料変換器であり、触媒上の脱水素反応もしくは分解反応によって水素を含んだ可燃ガスをガソリンから生成するものである。この燃料改質器２０で生成された改質ガスは改質ガスタンク２１に貯蔵されている。この改質ガスタンク２１内の改質ガスが、吸気通路５に設けられたガス燃料噴射弁９から噴射される。また、この燃料改質器２０には、当該燃料改質器２０内の触媒温度を検知する温度センサ２２が設けられ、この温度センサ２２の検出値はＥＣＵ１５に入力されている。
【００４６】
このような第４実施形態においては、燃料改質器２０の触媒温度が活性温度以下の場合は改質効率が低いため、廃熱の回収が十分行えずにシステム効率が低下したり、改質ガスの生成量が不足して改質ガスを用いた高効率燃焼が行えなくなる。そこで、燃料改質器２０の触媒温度が活性温度を下回った場合には、例えば上述した第１〜第３実施形態のような方法で触媒コンバータ１３の暖機を実施すれば、排気ガスの温度を上昇させることができ、改質ガスの生成量が不足することを防止することができる。
【００４７】
尚、触媒コンバータ１３の温度を早期に上昇させる手法は、上述した各実施形態の手法に限定されるものではなく、例えば、内燃機関１の始動時において、触媒コンバータ１３の活性が低い場合は、所定の期間、１燃焼サイクル毎に点火を停止し、点火を停止した際にガス燃料噴射弁から水素ガスを噴射することで、未燃の水素ガスを触媒コンバータ１３に供給するようにしても、触媒コンバータ１３の温度を早期に上昇させることができる。
【００４８】
また、上述した各実施形態においては、内燃機関１の停止時に、燃料噴射を停止した運転を少なくと１サイクル以上行うよう設定しておくことで、触媒コンバータ１３周辺に触媒暖機時に必要な酸素を確実に分布させることができ、水素を含む可燃ガスを触媒コンバータ１３に供給した際に、触媒コンバータ１３を確実に昇温させることができる。
【００４９】
上述した実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
【００５０】
（１）  内燃機関の触媒暖機装置は、水素を含んだ可燃ガスを燃料、もしくは燃料の一部として運転する内燃機関において、排気を浄化する目的で排気通路に設置された触媒コンバータと、燃焼室に該可燃ガスを供給可能な噴射弁を具備し、前記触媒コンバータの活性が低い場合は、前記可燃ガスへの点火を停止し、該可燃ガスを前記触媒コンバータに導入する。これによって、水素が未燃のまま排気弁を通過し、触媒コンバータに未燃の水素を供給することが可能になり、触媒コンバータ上での発熱を伴った水素の酸化反応により触媒コンバータの温度を早期に上昇させることができる。
【００５１】
（２）  前記（１）に記載の内燃機関の触媒暖機装置において、水素を含んだ可燃ガスを供給可能な噴射弁を燃焼室に具備し、排気弁が開いている気筒にのみ該可燃ガスを噴射する。これによって、排気弁が閉じている気筒で水素が筒内に充満し、始動時のトルク変動の要因や、吸気側に逆流して逆火の要因になることを防止することができる。
【００５２】
（３）  前記（１）または（２）に記載の内燃機関の触媒暖機装置おいて、内燃機関の停止時に、燃料噴射を停止した運転を少なくと１サイクル以上行う。水素を含む可燃ガスを触媒コンバータに供給したとしても、酸素が不足していた場合は反応が不十分になり、触媒コンバータの昇温が十分に行えない虞がある。これによって、触媒コンバータ周辺に触媒暖機時に必要な酸素を確実に分布させることができ、水素を含む可燃ガスを触媒コンバータに供給した際に、触媒コンバータを確実に昇温させることができる。
【００５３】
（４）  前記（１）に記載の内燃機関の触媒暖機装置おいて、前記触媒コンバータの活性が低い場合は、所定の期間、１燃焼サイクル毎に点火を停止する。これによって、キーＯＮですぐに始動し、運転しながら未燃の水素を触媒コンバータへ供給することができる。
【００５４】
（５）  前記（１）に記載の内燃機関の触媒暖機装置おいて、前記触媒コンバータの活性が低い場合は、所定の期間、一部の気筒の点火を停止する。これによって、キーＯＮですぐに始動し、運転しながら未燃の水素を触媒コンバータへ供給することができる。
【００５５】
（６）  前記（１）〜（５）のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機装置おいて、前記触媒コンバータの活性が低いほど、前記可燃ガスを前記触媒コンバータに導入する期間を長くする。触媒コンバータの暖機のための水素供給期間を触媒活性状態に基づいて設定することで水素の消費量を抑制し、触媒コンバータの温度の過大な上昇を抑制することができる。
【００５６】
（７）  前記（１）〜（６）のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機装置おいて、前記触媒コンバータの温度を検出可能な触媒温度検出手段を有し、前記触媒コンバータの温度が所定温度を超えた場合に、前記可燃ガスを当該触媒コンバータに導入することを中止する。触媒コンバータが所定温度に達した場合、触媒コンバータの暖機のための水素供給を停止することで、触媒コンバータを着火源に排気管内で水素が燃えて配管から放熱し、触媒コンバータの昇温エネルギーをロスしてしまうことを防止することができる。
【００５７】
（８）  前記（７）に記載の内燃機関の触媒暖機装置において、前記所定温度は、前記可燃ガスの着火温度である。
【００５８】
（９）  前記（１）〜（９）のいずれかに記載の内燃機関の触媒暖機装置において、前記触媒コンバータの下流側の排気ガスを主な熱源とし、触媒上の脱水素反応もしくは分解反応によって水素を含んだ可燃ガスを生成可能な燃料改質手段を有し、前記触媒の触媒温度が所定の温度よりも低い場合には、前記可燃ガスへの点火を停止し、該可燃ガスを前記触媒コンバータに導入する。燃料改質手段を有する内燃機関において、燃料改質手段の触媒温度が活性温度以下の場合は改質効率が低いため、廃熱の回収が十分行えずにシステム効率が低下したり、改質ガスの生成量が不足して改質ガスを用いた高効率燃焼が行えないといった問題がある。そこで燃料改質手段の改質触媒の温度が活性温度を下回った場合は、可燃ガスへの点火を停止し、該可燃ガスを前記触媒コンバータに導入することで、前述の問題を解決することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１…内燃機関
２…ピストン
３…燃焼室
４…吸気弁
５…吸気通路
６…排気弁
７…排気通路
８…点火プラグ
９…ガス燃料噴射弁
１０…水素タンク
１１…ガソリン噴射弁
１２…ガソリンタンク
１３…触媒コンバータ
１４…触媒温度センサ
１５…ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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