(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が排気弁側を指向する姿勢で吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
ピストン冠面に、上記ペントルーフ型燃焼室を構成する２つの傾斜面にそれぞれ略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面及び排気弁側傾斜面を有する凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設された皿状のボウルと、ピストン外形円に対し排気弁側に偏心した位置に凹設されたガイド部と、を有し、
このガイド部は、ピストン外周側へ向けて広がる形状をなし、かつ、上記ピストン冠面の外周縁まで延長形成されていることを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項２】
上記ガイド部の外周両端に設けられ、この部分のピストン冠面よりも上方へ突出する一対の仕切板を有することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項３】
上記ピストン冠面の中で、上記ガイド部の外周部を、このガイド部以外のピストン外周部よりもピストン軸方向で低く設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される筒内噴射式内燃機関のピストンに関し、特に、シリンダ内に生成されるタンブル成分およびスワール成分を利用して、均質燃焼及び成層燃焼の双方が可能な筒内噴射式内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式内燃機関が従来から種々提案されている。
【０００３】
成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃機関のピストンとしては、例えば、特公平８−３５４２９号公報に記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対し偏心した非円形のボウルが形成されているとともに、ピストン上死点付近においてこのボウルへ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されている。上記ボウルは、内部に燃料およびスワールを封じ込めるように、リエントラント型の構成となっている。また、このボウルに強いスワールを生成するために、一対の吸気ポートの一方をヘリカルポートとして構成するとともに、他方の吸気ポートを開閉する空気制御弁を備えている。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃焼時には、上記空気制御弁を閉じて一方のヘリカルポートのみから新気を導入し、シリンダ外周部に強いスワールを生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気が形成され、かつ点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような筒内噴射式の内燃機関において、燃料噴射弁が吸気弁側に設けられ、その燃料噴霧が排気弁側を指向している場合、特に吸気行程において燃料噴射が行われる均質燃焼時に、排気弁側のシリンダ壁面に燃料が付着し易い。このように付着した液状の燃料は、ピストンの上昇に伴って、ピストン冠面やピストン外周に取り付けられたピストンリングによって掻き上げられ、シリンダ内周とピストン外周とピストンリングとの間に隔成されるピストンクレビス、特に排気弁側のクレビス内に滞留することとなる。
【０００６】
ここで、特に成層燃焼時には、吸気弁側に設けられたボウル内で主に燃焼が進行する関係で、排気弁側のピストン冠面やピストンクレビスへ火炎が伝播され難い。従って、上記のように排気弁側のピストンクレビスに滞留した液状燃料は燃焼，気化され難く、排気行程時に排出される未燃ガスの増加を招聘してしまう。
【０００７】
この発明は、排気弁側へ向けて燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関において、排気弁側のシリンダ壁面に付着した液状燃料を良好に燃焼，気化させて、未燃ガスの排出を効果的に低減し得るピストンを提供することを主な目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る筒内噴射式内燃機関は、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が排気弁側を指向する姿勢で吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようになっている。
【０００９】
そして、請求項１の発明に係るピストンは、ピストン冠面に、上記ペントルーフ型燃焼室を構成する２つの傾斜面にそれぞれ略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面及び排気弁側傾斜面を有する凸部と、ピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設された皿状のボウルと、ピストン外形円に対し排気弁側に偏心した位置に凹設されたガイド部と、を有し、このガイド部は、ピストン外周側へ向けて広がる形状をなし、かつ、上記ピストン冠面の外周縁まで延長形成されていることを特徴としている。
【００１０】
成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じる等の手段によって、シリンダ内に筒内スワールが生成される。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に導入され、ピストン上死点付近でボウル内に封じ込められる。ここで、ピストン上死点付近では、吸気弁側傾斜面及び排気弁側傾斜面を有するピストン冠面とシリンダヘッド側の燃焼室との間の空間が可及的に小さくなる。従って、上死点近傍で燃料がボウルへ向けて噴射されることにより、良好な成層燃焼を実現できる。
【００１１】
一方、均質燃焼時には、一対の吸気弁を介してシリンダ内に流入した新気によってタンブル流が生成され、かつ吸気行程付近で燃料が噴射される。このタンブル流によってボウル内の燃料の滞留が防止され、均質な混合気による均質燃焼を実現できる。
【００１２】
このような筒内噴射式内燃機関においては、上述したように、排気弁側へ向けて燃料噴射が行われる関係で、特に吸気行程において燃料噴射が行われる均質燃焼時に（噴射時期によっては成層燃焼時にも）、排気弁側のシリンダ壁面に燃料が付着し易い。このように付着した液状燃料は、ピストン上昇に伴ってピストン冠面やピストン外周に取り付けられたピストンリングによって掻き上げられる。
【００１３】
ここで本発明では、ピストン外形円に対し排気弁側に偏心した位置にガイド部を凹設し、このガイド部は、ピストン外周側へ向けて広がる形状をなし、かつ、上記ピストン冠面の外周縁まで延長形成された構造となっている。
【００１４】
従って、上記のように掻き上げられた液状燃料は、ガイド部に良好に流れ込む形となる。この結果、ピストン外周とシリンダ壁面との間に隔成されるピストンクレビス内に滞留する液状燃料が相対的に低減される。
【００１５】
また、排気弁側傾斜面に凹設されたガイド部によって、燃焼時の火炎が排気弁側のピストン冠面，特に排気弁側のピストン外周へ向けて速やかに伝播される。従って、ガイド部が火炎によって十分に加熱され、このガイド部内に流れ込んだ液状燃料が良好に気化されるとともに、従来気化され難かった排気弁側のピストンクレビスに滞留する液状燃料の燃焼，気化も促進される。
【００１６】
より好ましくは請求項２の発明のように、上記ガイド部の外周両端に設けられ、この部分のピストン冠面よりも上方へ突出する一対の仕切板を有している。
【００１７】
この場合、一対の仕切板によって、一対の仕切板の間で掻き上げられた液状の燃料が、ピストン外周に沿って仕切板の外側へ流れ出ることが防止される。この結果、ガイド部内へ更に確実に液状燃料が流れ込むようになり、液状燃料をより効果的に燃焼，気化させることができる。
【００１８】
また、請求項３の発明は、上記ピストン冠面の中で、上記ガイド部の外周部を、このガイド部以外のピストン外周部よりもピストン軸方向で低く設定したことを特徴としている。この場合、ピストン冠面によって掻き上げられた液状燃料が更に良好にガイド部へ流れ込むようになり、液状燃料の燃焼，気化が更に促進される。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンによれば、排気弁側傾斜面に適宜なガイド部を凹設したため、排気弁側のシリンダ壁面に付着し、ピストンの上昇に伴って掻き上げられた液状燃料が、上記のガイド部へ良好に流れ込むとともに、このガイド部を通って燃焼時の火炎が排気弁側のピストン外周へ速やかに伝播されるようになり、上記の液状燃料を効果的に燃焼，気化させることができる。この結果、未燃ガスの排出量が低減され、良好な燃焼を実現できる。
【００２０】
【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。
【００２１】
始めに、この発明に係るピストン４が用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を図１および図２に基づいて説明する。図示するように、シリンダブロック１には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合している。また、シリンダヘッド２に凹設された燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面１１ａに一対の吸気弁５が、他方の傾斜面１１ｂに一対の排気弁６がそれぞれ配置されている。そして、これらの一対の吸気弁５および一対の排気弁６によって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火プラグ７が配置されている。
【００２２】
シリンダヘッド２には、一対の吸気弁５にそれぞれ対応する一対の吸気ポート８が互いに独立して形成されている。つまり、一対の吸気ポート８は、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリンダヘッド２側面において独立して開口している。また排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。
【００２３】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、吸気弁５側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下面部に配置されており、その中心軸が排気弁側の斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。また、燃料噴射弁１０は、図２に示すように、２つの吸気弁５の間に配置されている。
【００２４】
シリンダ３内に配置されたピストン４の頂部には、後述するように、吸気弁５側に偏心した位置に、略皿形のボウル１２が凹設されており、ピストン４が上死点近傍にあるときに、燃料噴射弁１０の噴霧軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。なお、点火プラグ７は、ピストン４が上死点にあるときにボウル１２内に入り、かつその外周部に位置するように配置されている。
【００２５】
一対の吸気ポート８は、それぞれ吸気マニホルド１３側に独立して形成された一対の吸気通路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、一方の吸気通路１４ｂ内には、この吸気通路１４ｂを開閉するバタフライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。この空気制御弁１５は、シャフト１６を介して図示せぬ駆動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。なお、空気制御弁１５が閉じた状態では、他方の吸気通路１４ａに連なる吸気ポート８のみを通して新気が流入するのであるが、この吸気ポート８は、ヘリカルポートではなく、緩く湾曲した略直線状のポート形状をなしている。
【００２６】
上記の内燃機関の基本的な作用について説明すると、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、空気制御弁１５が開状態に制御され、一対の吸気ポート８の双方からシリンダ３内へ新気が導入される。これにより、シリンダ３内には、強いタンブル流（縦渦）が生成される。また、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給される。この燃料は、タンブル流によってシリンダ３内で積極的に拡散され、ボウル１２内に滞留することなく均質化が促進される。
【００２７】
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、空気制御弁１５が閉じられ、一方の吸気ポート８のみからシリンダ３内に新気が流入する。これにより、シリンダ３内では、タンブル成分が相対的に弱められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成される。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１０からボウル１２へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４頂部のボウル１２内に封じ込められたスワール流に乗って点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能となる。
【００２８】
次に、図３〜７を参照して、本発明の第１実施例に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００２９】
このピストン４においては、上死点においてボウル１２がシリンダ３内の空間の大部分を占めるように、その冠面に凸部２１が設けられている。この凸部２１は、基本的に４つの面から構成されている。すなわち凸部２１は、シリンダヘッド２側のペントルーフ型燃焼室１１を構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂに略平行な平面からなる吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２３と、ピストン４の外形円と同心の円錐面からなる一対の円錐形側面２４，２５とによって構成されている。
【００３０】
そして、ピストン４が上死点にあるときに、凸部２１の各面２２〜２５とシリンダヘッド２の燃焼室１１との間に生じるクリアランスが非常に小さなものとなり、シリンダ３内に残る容積の大部分を、凸部２１に凹設されたボウル１２並びに後述するガイド部４０が占有する形となる。
【００３１】
なお、ピストン４頂面のスラスト，反スラスト側の部分には、シリンダヘッド２側の燃焼室１１の両側に平坦面として残されたスキッシュエリア２ａ，２ｂ（図１）に対応して、一対の基準水平面２６が形成されている。
【００３２】
上記のボウル１２は、その底面が円形の平坦面に形成されているとともに、その周壁面が上方へ向かって緩くテーパ状に拡がった皿形をなしている。また、ボウル１２の開口縁部（上縁部）は、ピストン４の軸方向視で円形をなし、かつ、僅かに排気弁側傾斜面２３側へはみ出ている。
【００３３】
そして本実施例では、排気弁側傾斜面２３に、滑らかな１つの湾曲面をなすガイド部４０を凹設している。このガイド部４０は、上記ボウル１２と同様、ピストン軸方向視で燃料噴射弁１０の噴霧軸線に沿って形成されており、かつ、ピストン４外周部へ向けて広がる扇状に形成されている。そして、ガイド部４０は、本実施例ではピストン外周の基準水平面２６へ滑らかに接続しており、言い換えると、上記基準水平面２６を含む形でピストン４冠面の外周縁へ滑らかに接続している。
【００３４】
なお、ピストン４の外周には、シリンダ３壁面との間をシールするピストンリング２７が嵌合するリング溝２８が形成されている。そして、図４にも示すように、ピストンリング２７より上方のトップランド部２９の外周と、シリンダ３内周と、ピストンリング２７との間には、環状のピストンクレビス３０が隔成されている。
【００３５】
図４〜７は、成層燃焼時における作動を示しており、上段は上面対応図，下段は断面対応図である。なお、図中の符号Ｆは、排気弁側のシリンダ３壁面に付着した液状の燃料である。すなわち、本実施例のような筒内噴射式の内燃機関においては、図１，２に示すように燃料噴射弁１０の噴霧軸線が排気弁側を指向している関係で、特に吸気行程において燃料噴射が行われる均質燃焼時において、排気弁側のシリンダ３壁面に液状燃料Ｆが付着し易い傾向にある。
【００３６】
図４は、ピストン４が吸気下死点に位置する状態を示しており、この状態からピストン４が上昇してくると、図５に示すように、上記の液状燃料Ｆが主にピストン４冠面の外周部によって掻き上げられる。
【００３７】
ここで本実施例では、排気弁側傾斜面２３に上記のガイド部４０が凹設されているため、図５に示すように、液状燃料Ｆがガイド部４０内にスムースに流れ込む。この結果、ピストンクレビス３０に滞留する液状燃料Ｆが相対的に低減される。すなわち、クレビス３０に沿って液状燃料Ｆが周方向に拡散することが効果的に抑制される。
【００３８】
そして、圧縮行程後半においてボウル１２へ向けて燃料が噴射されることにより、図６に示す圧縮上死点付近では、ボウル１２内にスワール並びに混合気が良好に封じ込められ、適宜なタイミングで点火が行われることによって、火炎Ｋが点火プラグ７（図１）の位置するシリンダ中央から主にボウル１２内へ燃え広がり、このボウル１２で良好に燃焼が進行する。
【００３９】
ここで、本実施例では排気弁側傾斜面２３にガイド部４０が凹設されているため、図７に示すように、圧縮上死点からのピストン４の下降に伴って、上記の火炎Ｋがガイド部４０を通って速やかに排気弁側へと伝播される。従って、ガイド部４０に流れ込んだ液状燃料Ｆや、排気弁側のクレビス３０に滞留する液状燃料Ｆが良好に燃焼，気化される。また、上記火炎Ｋによりガイド部４０の壁面が十分に加熱されるため、図６，７の符号Ｆ１で示すように、ガイド部４０に流れ込む液状燃料Ｆの気化が促進される。
【００４０】
このように本実施例では、排気弁側のシリンダ壁面に付着した液状燃料Ｆが良好に燃焼，気化されるようになり、排気行程時に排出される未燃ガスが効果的に低減される。
【００４１】
一方、均質燃焼時には、一対の吸気ポート８から流入した新気によってシリンダ３内にタンブル流が形成され、かつ吸気行程中に燃料噴射が行われるが、ボウル１２は、上方が緩いテーパ状に拡がった皿形をなしており、かつ、タンブル流が集中する一対の吸気ポート８の中心線上に略円形のボウル１２が位置しているので、このボウル１２内に入った燃料がタンブル流によって容易に洗い流され、滞留してしまうことがない。従って、高負荷時にも均質な混合気を形成でき、良好な均質燃焼が可能である。
【００４２】
次に、本発明の第２実施例に係るピストンを図８〜１１を参照して説明する。なお、後述する実施例において、上記の実施例と同一構成部分には同じ符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４３】
この第２実施例では、図１０に示すように、ピストン（トップ）リング２７の上面に、一対の仕切板４２が予め設けられている。一方、図８に示すように、ピストン４冠面の外周部には、上記ガイド部４０の両端部に対応するトップランド部２９の外周に、仕切板４２が嵌合する嵌合溝４４がそれぞれ形成されている。そして、上記の仕切板４２は、ピストンリング２７をピストン４に取り付けた状態では、この部分のピストン４冠面よりも上方へ突出する形となっている。
【００４４】
このような第２実施例によれば、図１１に示すように、一対の仕切板４２の間で、ピストン４の上昇に伴って掻き上げられた付着燃料Ｆは、これら仕切板４２よりも周方向外側のクレビス３０へ流れ出ることなく、確実にガイド部４０内へ流れ込む形となる。この結果、液状燃料Ｆを更に確実に燃焼，気化させることができ、未燃ガスの排出を更に低減することができる。
【００４５】
なお、上記の嵌合溝４４は、ピストンリング２７の適度な移動を許容するとともに、ピストンリング２７の取付作業性を考慮して、仕切板４２よりも若干大きな寸法に設定されている。
【００４６】
また、仕切板４２の高さ方向寸法は、好ましくは、使用状態で仕切板４２の上端が燃焼室１１側の傾斜面１１ｂに当たらない範囲で、できるだけ高く設定されている。これは、液状燃料Ｆを一対の仕切板４２より周方向外側へこぼれ難くするためである。
【００４７】
図１２，１３は、本発明の第３実施例に係るピストンを示している。この第３実施例では、ピストン４冠面の外周部の中で、上記第１，第２実施例のガイド部４０に相当するガイド部４０Ａの外周部を、このガイド部４０Ａが設けられていない他のピストン４外周部よりもピストン軸方向で低く設定している。すなわち、ピストン外周部でガイド部４０Ａを排気弁側傾斜面２３よりも深く凹設して、段差を与えている。
【００４８】
この結果、図１３に示すように、ピストン４の上昇に伴って、シリンダ３の排気弁側の壁面に付着した液状燃料Ｆが掻き上げられた際、この燃料Ｆが部分的に低くなったガイド部４０Ａ内に更にスムースに流れ込むようになる。従って、上記液状燃料Ｆの燃焼，気化が更に促進され、より確実に未燃ガスを低減することができる。
【００４９】
なお、この実施例のようにガイド部４０Ａを他のピストン外周部よりも低く設定した場合、図１３に示すように、排気弁側でトップランド部２９の高さ寸法が相対的に短くなり、この部分の強度の低下を避けられない。しかしながら、この実施例のように吸気弁側にボウル１２が凹設されている筒内噴射式内燃機関のピストン４では、ボウル１２に近接する吸気弁側で、トップランド部２９の径方向寸法が短くなり、この吸気弁側の強度の要求によりトップランド部２９の高さ寸法が設定されている。言い換えると、排気弁側のトップランド部２９は、径方向で十分な肉厚を有し、吸気弁側に比して強度が高いため、上記のようにガイド部４０Ａの凹設によって、ある程度高さ寸法が短くなっても、十分な強度を確保することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示す縦断面図。
【図２】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底面図。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す斜視図。
【図４】上記ピストンが吸気下死点近傍にある状態を示す作動図。
【図５】上記ピストンが吸気下死点から上昇している状態を示す作動図。
【図６】上記ピストンが圧縮上死点付近にある状態を示す作動図。
【図７】上記ピストンが圧縮上死点から下降している状態を示す作動図。
【図８】この発明に係るピストンの第２実施例を示す斜視図。
【図９】第２実施例のピストンを示す平面図。
【図１０】第２実施例のピストンに取り付けられるピストンリングを単体で示す斜視図。
【図１１】第２実施例のピストンが吸気下死点から上昇している状態を示す作動図。
【図１２】この発明に係るピストンの第３実施例を示す斜視図。
【図１３】第３実施例にピストンが吸気下死点から上昇している状態を示す作動図。
【符号の説明】
３…シリンダ
４…ピストン
５…吸気弁
６…排気弁
７…点火プラグ
１０…燃料噴射弁
１１…燃焼室
１２…ボウル
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
４０…ガイド部
【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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