(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気弁上流の吸気通路に、弁体の一方の端縁に開口部を設けてなるバタフライバルブ型の吸気流制御弁を備え、この吸気流制御弁の開閉によってシリンダ内のガス流動を可変的に制御する内燃機関のガス流動強化装置において、
上記弁体の回転軸を挟んで上記開口部と反対側の端縁の形状が、該弁体の全閉位置において吸気通路内壁面との間で所定の間隙が残存するように形成されており、かつ、ガス流動を最も強化すべきときに、上記吸気流制御弁が、上記全閉位置から所定角度開いた状態に制御されることを特徴とする内燃機関のガス流動強化装置。
【請求項２】
上記所定角度は、１０度〜２５度の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のガス流動強化装置。
【請求項３】
上記間隙は、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある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ガス流動強化装置。
【請求項４】
内燃機関の吸気弁上流の吸気通路に、弁体の一方の端縁に開口部を設けてなるバタフライバルブ型の吸気流制御弁を備え、この吸気流制御弁の開閉によってシリンダ内のガス流動を可変的に制御する内燃機関のガス流動強化装置において、
ガス流動を最も強化すべきときに、上記吸気流制御弁が、上記全閉位置から所定角度開いた状態に制御されるとともに、上記弁体の回転軸を挟んで上記開口部に対し反対側となる弁体端縁と吸気通路内壁面との間から、上記開口部を通る流量よりも少ない一部の吸気流を分流させるようにしたことを特徴とする内燃機関のガス流動強化装置。
【請求項５】
シリンダ内のガス流動を検出する手段と、検出されたガス流動が、運転条件に応じたガス流動要求値を満たすように、上記吸気流制御弁の開度を制御する手段と、を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関のガス流動強化装置。
【請求項６】
上記ガス流動検出手段は、点火プラグに一体化されたレーザドップラ流速計からなることを特徴とする請求項５記載の内燃機関のガス流動強化装置。
【請求項７】
レーザドップラ流速計のトレーサとして、シリンダ内の燃料噴霧が用いられることを特徴とする請求項６記載の内燃機関のガス流動強化装置。
【請求項８】
シリンダ内の流速を、上記ガス流動の大小を示すパラメータとして用いることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の内燃機関のガス流動強化装置。
【請求項９】
レーザドップラ流速計のトレーサとして、吸気通路に供給した可燃性粒子が用いられることを特徴とする請求項６記載の内燃機関のガス流動強化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関のガス流動つまりシリンダ内の乱れを強化するためのガス流動強化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火花点火式内燃機関においては、シリンダ内の乱れは、良く知られているように、火炎伝播を促進して燃焼速度を早めるとともに、混合気の均質化を促進し、燃焼を安定かつ良好なものとする。このシリンダ内の乱れとなるガス流動を強化するために、従来から、吸気弁上流の吸気通路に、バタフライバルブ型の吸気流制御弁を設け、この吸気流制御弁の弁体の一部に切欠形成した開口部から片寄った高速流としてシリンダ内に吸気を導入するようにしたガス流動強化装置が用いられている。
【０００３】
このようなバタフライバルブ型の弁体を用いたガス流動強化装置では、ガス流動を強化すべき運転条件のときには、上記弁体が最も閉じた状態つまり全閉状態となるのが一般的であり、このときに、実質的な流路は、弁体に切欠形成された開口部のみとなり、該開口部を通して流れる吸気流によって、シリンダ内に乱れが生成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のように、吸気流制御弁を全閉状態とすることは、当然のことながら吸気通路面積を大きく制限することになるので、吸気通路面積の確保あるいはポンピングロスの抑制という観点からは好ましくない。換言すれば、吸気流制御弁により制約されることなく残存する吸気通路面積をより大きく確保しつつ、より強いガス流動を得られることが望ましい。より大きな吸気通路面積を確保しつつ強いガス流動を得ることができれば、より負荷の大きな領域まで、ガス流動を強化することが可能となる。
【０００５】
なお、本発明に類似した中間開度を与える先行技術として、特開平６−１０１４８４号公報および特開平８−１０９８３６号公報があるが、前者は、シリンダ内にスワールを生成するために、吸気通路にスワール制御弁を設け、一方に片寄った形で吸気流を導入するようにしたものであり、必要吸入空気量との妥協点として中速中負荷域でスワール制御弁が半開となるに過ぎない。また後者は、吸気流制御弁の連通孔を通して噴出する吸気流を燃料噴射弁からの燃料噴霧に衝突させて微粒化促進を図ったものであって、やはり、必要吸入空気量との妥協点として、ある程度負荷が大きくなるまでは、吸気流制御弁を半開状態とするに過ぎない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方に開口部を備えた吸気流制御弁を用いてガス流動の強化を図る際に、この吸気流制御弁を全閉状態として開口部のみから吸気流を流すのではなく、開口部と反対側となる吸気流制御弁の端縁側から少量の吸気流を分流させることがガス流動を強化する上で非常に有効である、という新たな知見に基づくものである。
【０００７】
すなわち、請求項４のように、内燃機関の吸気弁上流の吸気通路に、弁体の一方の端縁に開口部を設けてなるバタフライバルブ型の吸気流制御弁を備え、この吸気流制御弁の開閉によってシリンダ内のガス流動を可変的に制御する内燃機関のガス流動強化装置において、ガス流動を最も強化すべきときに、上記吸気流制御弁が、上記全閉位置から所定角度開いた状態に制御されるとともに、上記弁体の回転軸を挟んで上記開口部に対し反対側となる弁体端縁と吸気通路内壁面との間から、上記開口部を通る流量よりも少ない一部の吸気流を分流させるようにしたことを特徴としている。
【０００８】
より具体的には、請求項１のように、内燃機関の吸気弁上流の吸気通路に、弁体の一方の端縁に開口部を設けてなるバタフライバルブ型の吸気流制御弁を備え、この吸気流制御弁の開閉によってシリンダ内のガス流動を可変的に制御する内燃機関のガス流動強化装置において、上記弁体の回転軸を挟んで上記開口部と反対側の端縁の形状が、該弁体の全閉位置において吸気通路内壁面との間で所定の間隙が残存するように形成されており、かつ、ガス流動を最も強化すべきときに、上記吸気流制御弁が、上記全閉位置から所定角度開いた状態に制御されることを特徴としている。
【００１０】
上記所定角度は、望ましくは、請求項２のように、１０度〜２５度の範囲にある。
【００１１】
また上記間隙は、望ましくは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ、さらに望ましくは、請求項３のように、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲にある。
【００１２】
図１は、本発明のメカニズムを説明するもので、シリンダヘッド１における吸気ポート２の上流側に、一般に吸気マニホルドとして構成される吸気通路３が接続されており、かつ、この吸気通路３に、バタフライバルブ型の吸気流制御弁４が介装されている。この吸気流制御弁４は、適宜なアクチュエータに連結される回転軸５に板状の弁体６が取り付けられたもので、回転軸５を中心にして一方の端縁に、開口部７が切欠形成されている。この吸気流制御弁４は、図示せぬ吸気弁から適当な距離に配置されており、吸気ポート２内に配置される場合もある。なお、図では、吸気流制御弁４の下流側位置に燃料噴射弁８が配置されているが、吸気流制御弁４の上流側で燃料供給される場合もあり、またシリンダ内に供給される場合もある。
【００１３】
上記の吸気流制御弁４が閉位置にあるとすると、上流側から矢印Ｇで示すように流れてきた吸気流は、該吸気流制御弁４において絞られ、開口部７を通して高速流となって流れる。この流れは、矢印Ｇ１で示すように、吸気通路３の一方の壁面つまり開口部７側の壁面に沿って流れ、図示せぬ吸気弁から片寄った形で高速のままシリンダ内へ流入するので、シリンダ内にガス流動つまり乱れを発生させる。
【００１４】
ここで、上記回転軸５を挟んで上記開口部７と反対側となる吸気流制御弁４の端縁６ａの側から、少量の吸気を分流させると、この吸気流が高速ジェット流として矢印Ｇ２のように直進しようとし、開口部７を通った主流Ｇ１を吸気通路３の一方の壁面に押し付けて該壁面から剥離しないように作用するとともに、この主流Ｇ１と合流して該主流Ｇ１を強化する働きをする。この結果、開口部７からの流れＧ１のみの場合よりも、シリンダ内の乱れが強化され、かつ吸気流制御弁４部分での実質的な吸気通路面積が大となる。
【００１５】
上記のようなジェット流Ｇ２を得るために、上記端縁６ａは、仮想線で示す弁体６の全閉位置において吸気通路３内壁面との間で所定の間隙Δが残存するように形成される。そして、この弁体６が、実線で示すように、全閉位置から所定角度θだけ開いた状態で使用される。
【００１６】
図２は、上記の間隙Δの大小とシリンダ内の乱れとの関係を示している。この図では、各クランク角での乱れの強さを連続的に示しているが、燃焼に寄与する乱れの強さは、一般に、圧縮上死点（クランク角３６０度）前の領域での最大値、あるいは、点火時期（例えば圧縮上死点前５度）における値、によって評価される。図２では、間隙Δが、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの場合（これらの場合は弁体６は全閉位置である）、さらには、吸気流制御弁４を全開とした場合の４種のデータを対比している。この図２から明らかなように、全開、１．０ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍの順に、乱れの強さが大きくなる。
【００１７】
また、図３は、弁体６の開き角度θとシリンダ内の乱れとの関係を示している。なお、これは、全閉状態での間隙Δが０．５ｍｍの場合のデータであるが、間隙Δが多少異なっていても概ね同様の傾向となる。図３では、開き角度θが、０度、５度、１０度、１５度、２０度、２５度および９０度の場合のデータを対比している。この図３から明らかなように、全閉状態（０度）に比べて、５度〜２５度の開き角度θを与えた方が、シリンダ内の乱れが強化される。これは、圧縮上死点前の領域での最大値あるいは点火時期（例えば圧縮上死点前５度）の値のいずれについてみても同様である。すなわち、従前の一般的な考えでは、全閉状態が最も乱れが強くなると思われていたのであるが、実際には、僅かに開いた状態の方が、乱れが強化されるのである。
【００１８】
さらに、図４は、間隙Δと開き角度θとによる乱れの強さを示している。この図４において、縦軸は端縁６ａと吸気通路３壁面との間に生じる隙間、横軸は開き角度θを示しており、図中の右上がりに緩やかに変化する曲線は、全閉時の初期間隙Δが０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍの場合の角度θに伴う隙間の変化をそれぞれ示し、かつ、各交点に添えた数字（２．７９９等）が乱れ（点火時期に相当する上死点前５度の値）の大きさである。そして、等高線状の２本の曲線は、乱れが２．５ｍ／ｓおよび２．６ｍ／ｓの領域を示している。この図から明らかなように、開き角度θが、１０度〜２５度の範囲において、強いガス流動が得られ、特に、１０度〜２０度付近が最も乱れが強くなる。換言すれば、吸気流制御弁４により残存する吸気通路面積を全閉状態より大きく確保しつつ、乱れをより大きくすることができる。図中のＡ点は、隙間側からの流れが全体に占める割合つまり分流比が１０％の点を示しているが、この付近で、特に強いガス流動が得られている。
【００１９】
なお、上記の各データは、図１に示したように、弁体６を、その端縁６ａが全閉位置よりも相対的に下流側に移動する方向に開いた場合のものである。弁体６を逆方向に開いた場合の具体的なデータはないが、同様の作用が得られるものと推定される。
【００２０】
次に、請求項１〜請求項４に従属する請求項５の発明では、シリンダ内のガス流動を検出する手段と、検出されたガス流動が、運転条件に応じたガス流動要求値を満たすように、上記吸気流制御弁の開度を制御する手段と、をさらに備えている。
【００２１】
すなわち、図３で説明したように吸気流制御弁の開度を変化させることにより乱れの強さを変化させることができるので、実際のシリンダ内のガス流動の大きさを検出し、これが要求値を満たすように、吸気流制御弁の開度をフィードバック制御すれば、例えば弁体の端縁付近でのデポジットの堆積による影響等を回避して、確実に所望のガス流動を維持することができる。
【００２２】
上記ガス流動検出手段は、例えば請求項６のように、点火プラグに一体化されたレーザドップラ流速計から構成される。
【００２３】
そして、請求項７の発明では、レーザドップラ流速計のトレーサとして、シリンダ内の燃料噴霧が用いられる。請求項９の発明では、レーザドップラ流速計のトレーサとして、吸気通路に供給した可燃性粒子が用いられる。
【００２４】
また請求項８の発明では、シリンダ内の流速が、上記ガス流動の大小を示すパラメータとして用いられる。
【００２５】
すなわち、シリンダ内の流速は、乱れの強さに相関する。シリンダ内の乱れを直接検出することは、その測定精度の点から困難な場合もあるが、流速の計測は比較的容易であり、実用的なものとなる。
【００２６】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関のガス流動強化装置によれば、弁体の開口部と反対側から吸気流の一部を噴出させてガス流動を一層強化することができるので、吸気流制御弁により制約されることなく残存する吸気通路面積をより大きく確保しつつ、より強いガス流動を得ることができる。従って、ポンピングロスを抑制できるとともに、より負荷の大きな領域まで、ガス流動を強化して燃焼を改善することが可能となる。
【００２７】
また、請求項５のように吸気流制御弁の開度をフィードバック制御することにより、弁体や吸気通路のデポジットの堆積や内燃機関の個体差等に影響されずに、実際のガス流動を運転条件に応じた最適なものとすることができ、燃焼の改善が図れる。
【００２８】
特に、請求項６のようにガス流動検出手段として点火プラグに一体化したレーザドップラ流速計を用い、さらにそのトレーサとして請求項７のようにシリンダ内の燃料噴霧を利用するようにすれば、車両用内燃機関等の実用機関に容易に適用することができる。あるいは、請求項９のように、吸気通路に供給した可燃性粒子をトレーサとして用いることもできる。また、請求項８のようにシリンダ内の流速をガス流動の大小を示すパラメータとして利用すれば、一層実用的なものとなる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
図５は、この発明が適用された内燃機関の吸気系の構成を示している。図において、１１はシリンダヘッドを示しており、このシリンダヘッド１１における吸気ポート１２の上流側に、吸気マニホルド２１のブランチ部からなる吸気通路１３が接続されている。上記吸気マニホルド２１は上流側にコレクタ部２２を有し、該コレクタ部２２の上流側の通路に、スロットルバルブ２３が介装されている。この実施例では、吸気弁２４（図７参照）は各気筒に一対設けられており、吸気ポート１２は、両吸気弁２４へ吸気を導くように略Ｙ字形に構成されている。そのため、シリンダヘッド１１側面における吸気ポート１２の開口形状ならびにこれに連なる吸気通路１３は、左右に延びた偏平形状をなしている。
【００３１】
そして、上記吸気通路１３の比較的吸気ポート１２寄りの位置に、バタフライバルブ型の吸気流制御弁１４が介装されている。この吸気流制御弁１４は、図６にも示すように、図示せぬアクチュエータに連結される回転軸１５に板状の弁体１６が取り付けられたもので、回転軸１５を中心にして一方の端縁に、開口部１７が切欠形成されている。具体的には、上記弁体１６は吸気通路１３の断面形状に応じて長円形状をなしているとともに、上記回転軸１５がその長軸方向に沿って配置されており、かつこの回転軸１５と平行に開口部１７が形成されている。この開口部１７は、弁体１６が閉位置にあるときに、上方に位置している。また、この弁体１６は、その全閉位置において、上記回転軸１５を挟んで開口部１７と反対側となる端縁１６ａと吸気通路１３壁面との間に、僅かな間隙Δが残存するように、端縁１６ａの形状が形成されている。上記間隙Δは、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ、さらに望ましくは、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍである。なお、図６に示すように、全周に亘って一定の間隙Δが生じるように形成してもよい。
【００３２】
また、上記吸気流制御弁１４の下流側位置に、吸気ポート１２へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１８が配置されている。
【００３３】
上記吸気流制御弁１４は、その全閉位置からの角度θが全閉以外の一定範囲、例えば５度〜２５度の範囲で使用される。また、全負荷域では、吸気流制御弁１４は全開状態となる。従って、図６では、間隙Δの説明のために全閉状態を描いているが、実際には全閉状態となり得ない構成であってもよい。
【００３４】
また、この実施例では、シリンダ内に実際に生じるガス流動の大きさを検出する手段として、点火プラグ３１（図８参照）に一体化されたレーザドップラ流速計３２を備えている。図７は、このレーザドップラ流速計３２の原理的な構成を示すもので、一対のコヒーレントなレーザビームＢを送出する送光部３３と、測定点Ｐで生じた干渉縞を受光するための受光部３４と、受光レンズ３５およびフロントレンズ３６と、燃焼室に面して設けられた透明な観察窓３７と、から大略構成されており、測定点Ｐにおけるガス流動ないしは流速を測定することができる。上記測定点Ｐは、点火プラグ３１の電極近傍に位置し、吸気弁２４から排気弁２５へ向かう流れを計測している。ここで、この種のレーザドップラ流速計３２においては、測定対象となる何らかの微粒子つまりトレーサが必要であるが、燃料噴射弁１８から供給される燃料噴霧は、シリンダ内でもまだ十分に大きなものであるので、この燃料噴霧をトレーサとして利用することができる。なお、図５に示すように、吸気系にトレーサ供給部２６を設け、ここから可燃性粒子、例えば固体樹脂粒子、あるいは、アトマイザや超音波振動子で微粒化したオイル等の液滴を供給するようにしてもよい。
【００３５】
図８〜図１０は、点火プラグ３１と一体化されたレーザドップラ流速計３２の具体的構成を示しており、シリンダヘッドに螺合する点火プラグ３１のケーシング４１内に、中心電極４２を先端に有する電極体４３が一方に偏心した状態に配置されており、かつこれと並列に、上述したレーザドップラ流速計３２が配置されている。なお、図９において、４４は側方電極を示し、また図１０において、３８はビームＢの間隔を調整するためのプリズムである。
【００３６】
図１１は、上記ガス流動検出手段を備えた吸気流制御弁１４の制御システムを示しており、レーザ発生装置５１が上述したレーザドップラ流速計３２の送光部３３に接続されているとともに、ガス流動解析装置５２がレーザドップラ流速計３２の受光部３４に接続されている。そして、このガス流動解析装置５２からガス流動検出信号を受けるコントロールユニット５３が、吸気流制御弁１４のアクチュエータ５４に制御信号を出力し、その開度をフィードバック制御している。
【００３７】
図１２は、上記コントロールユニット５３において実行されるフィードバック制御の流れを示すフローチャートである。また、図１３は、ガス流動つまり乱れの各運転条件での要求値を示す要求値マップであり、図１４は、各運転条件に対応して吸気流制御弁１４の開度を割り付けた開度制御マップである。図１３および図１４に示すように、要求乱れ強度は、低速低負荷側で大、高速高負荷側で小となり、吸気流制御弁１４の基本的な開度は、これに応じて、低速低負荷側で小、高速高負荷側で大となる。
【００３８】
上記のフィードバック制御を上記フローチャートに沿って説明すると、まず、ステップ１において、基本的な開度として、図１４の開度制御マップから検索された開度を与え、その状態で内燃機関の運転を行う。次に、ステップ２において、レーザドップラ流速計３２によりシリンダ内の実際の乱れを計測する。特に、圧縮上死点前４０〜１０度における乱れ、例えば、この期間の中の特定の時期における値、あるいはこの期間の中のピークの値、あるいはこの期間の平均値、を計測し、図１３のマップから読み出される要求値が確保されているか否かを判定する。ここで要求値以上の強さの乱れが実際に生じていれば、そのままで運転を継続する。実際の乱れが要求値より低い場合は、ステップ３へ進み、吸気流制御弁１４の開度を１度増加する。そして、ステップ５で、乱れの強さが増加したか判定する。ステップ５でＹＥＳであれば、ステップ４へ進み、今回の開度増加量が所定値（Ｙ度）以内かを確認し、所定値（Ｙ度）を越えたら開度増加を終了する。
【００３９】
一方、開度増加によって乱れの強さが増加しない場合（ステップ５でＮＯの場合）は、ステップ６へ進み、逆に、吸気流制御弁１４の開度を１度減少する。そして、ステップ８で、乱れの強さが増加したか判定する。ステップ８でＹＥＳであれば、ステップ７へ進み、今回の開度減少量が所定値（Ｙ度）以内かを確認し、所定値（Ｙ度）を越えたら開度減少を終了する。そして、ステップ９で、最終的な変化量（開度制御マップの値からの変化量）が所定値（Ｘ度）以内であるかを確認し、一連のルーチンが終了する。ステップ９で所定値（Ｘ度）を越えていれば、それ以上の開度増減変化を禁止し、エラー信号を出力する。
【００４０】
すなわち、開度の増減のいずれの方向で乱れが強くなるか不明であるので、乱れが強くなる方向へ吸気流制御弁１４をＹ度づつ動かすことになる。そして、Ｘ度増減させても必要な乱れが得られない場合は何らかの異常であると判定するのである。
【００４１】
このように吸気流制御弁１４の開度をフィードバック制御することにより、デポジットの付着等や個体差に影響されることなく、運転条件に対し必要な乱れを確実に与えることができる。
【００４２】
図１５および図１６は、ある内燃機関においてレーザドップラ流速計３２により計測される平均流速（図１５）と乱れ（図１６）とを示している。図１５に示すように、圧縮行程における圧縮によって流速は増加し、その後、圧縮行程の後半で、流れエネルギの崩壊による流速低減が見られる。そして、図１６に示すように、この流れエネルギが乱れに変換されるので、同時期に乱れが増加する。ここで、両図は、それぞれ対応する３つのデータを示しているが、流速の大きさ、特にそのピークの値の大きさは、乱れの大小（最大値もしくは点火時期における値）に相関がある。従って、上記のフィードバック制御における乱れの強さを示すパラメータとして、流速を用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のメカニズムを説明するための説明図。
【図２】間隙Δの大小とシリンダ内の乱れとの関係を示す特性図。
【図３】弁体の開き角度θとシリンダ内の乱れとの関係を示す特性図。
【図４】間隙Δと開き角度θとによる乱れの強さを示す特性図。
【図５】この発明の一実施例を示す吸気系の断面図。
【図６】吸気流制御弁の正面図。
【図７】レーザドップラ流速計の構成を示す説明図。
【図８】レーザドップラ流速計と一体化した点火プラグの一部切欠断面図。
【図９】同点火プラグの要部の断面図。
【図１０】異なる方向からのレーザドップラ流速計の断面図。
【図１１】ガス流動検出手段を備えた吸気流制御弁の制御システムを示す説明図。
【図１２】制御の流れを示すフローチャート。
【図１３】乱れの要求値を示すマップ。
【図１４】吸気流制御弁の基本的開度を示す開度制御マップ。
【図１５】シリンダ内の平均流速の特性を示す特性図。
【図１６】シリンダ内の乱れの特性を示す特性図。
【符号の説明】
１４…吸気流制御弁
１７…開口部
３２…レーザドップラ流速計
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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