(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼室内の雰囲気圧力に応じて着火を維持及び促進させ、安定して内燃機関を運転させる。【解決手段】低温プラズマを形成させる第１点火プラグ２０と、低温プラズマよりも並進温度の高い熱プラズマを形成させる第２点火プラグ２２と、を備え、第１点火プラグ２０は、第２点火プラグ２２より気流の上流側に配置し、第１点火プラグ２０によって低温プラズマを発生させた後に第２点火プラグ２２によって熱プラズマを発生させる内燃機関の点火装置１００とする。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
低温プラズマを形成させる第１点火プラグと、
低温プラズマよりも並進温度の高い熱プラズマを形成させる第２点火プラグと、
を備え、
前記第１点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記第２点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記第１点火プラグは、前記第２点火プラグより気流の上流側に配置されていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記燃焼室内の圧力に応じて、前記第１点火プラグに印加される電圧及び時間の少なくとも１つを制御することを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項４】
請求項３に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記燃焼室内の燃料の点火時期における圧力が増加するにつれて前記第１点火プラグに印加される電圧を高くする、又は、前記第１点火プラグへの電圧の印加時間を長くすることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項５】
燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
絶縁体で隔てられた点火電極と接地電極を有する点火プラグを備え、
前記点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項６】
請求項５に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記点火電極に第１電圧を第１時間に亘って、又は断続的に印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に前記第１電圧より高い第２電圧を前記第１時間より長い第２時間に亘って熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項７】
請求項５に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記点火電極に高周波電圧を印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に直流電圧を印加することによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項８】
請求項７に記載の内燃機関の点火装置であって、
前記点火電極又は前記接地電極に凸部又は凹部が設けられていることを特徴とする内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁碍子によって絶縁保持された中心電極（点火電極）と接地電極とを備え、中心電極と接地電極の間に電圧を印加することによって火花を発生させる内燃機関の点火装置（点火プラグ）が知られている。
【０００３】
燃焼室内に供給された混合気に火花点火する際、ガス密度が比較的高いときはコロナ放電により発生させた低温プラズマによる点火がアーク放電により発生させた熱プラズマによる点火よりも着火遅れ時間を短縮することができる。そこで、点火時期における燃焼室内のガス密度が所定値以上となる運転条件のときには少なくとも低温プラズマを発生させて点火する内燃機関の点火装置が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−２３８１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、低温プラズマによる点火を行う場合、燃焼室内の圧力の増加に伴ってプラズマの電子温度が低下するために着火性能（着火遅れ時間の低減率）が低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様は、燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、低温プラズマを形成させる第１点火プラグと、低温プラズマよりも並進温度の高い熱プラズマを形成させる第２点火プラグと、を備え、前記第１点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記第２点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置である。
【０００７】
ここで、前記第１点火プラグは、前記第２点火プラグより気流の上流側に配置されていることが好適である。
【０００８】
また、前記燃焼室内の圧力に応じて、前記第１点火プラグに印加される電圧及び時間の少なくとも１つを制御することが好適である。
【０００９】
また、前記燃焼室内の燃料の点火時期における圧力が増加するにつれて前記第１点火プラグに印加される電圧を高くする、又は、前記第１点火プラグへの電圧の印加時間を長くすることが好適である。
【００１０】
本発明の別の態様は、燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、絶縁体で隔てられた点火電極と接地電極を有する点火プラグを備え、前記点火プラグによって低温プラズマを発生させた後に前記点火プラグによって熱プラズマを発生させることを特徴とする内燃機関の点火装置である。
【００１１】
ここで、前記点火電極に第１電圧を第１時間に亘って、又は断続的に印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に前記第１電圧より高い第２電圧を前記第１時間より長い第２時間に亘って熱プラズマを発生させることが好適である。
【００１２】
また、前記点火電極に高周波電圧を印加することによって低温プラズマを発生させた後、前記点火電極に直流電圧を印加することによって熱プラズマを発生させることが好適である。
【００１３】
また、前記点火電極又は前記接地電極に凸部又は凹部が設けられていることが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内燃機関の燃焼室内の雰囲気圧力に応じて着火を維持及び促進させ、安定して内燃機関を運転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１Ａ】第１の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す透過側面図である。
【図１Ｂ】第１の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す上面図である。
【図２】圧力と電子温度及び着火遅れ時間低減率との関係を示す図である。
【図３】電子衝突反応計算に用いる化学反応式を示す図である。
【図４】電子温度をパラメータとして圧力と電界強度との関係を示す図である。
【図５】圧力をパラメータとして時間と電子モル分率との関係を示す図である。
【図６】第１の実施の形態における内燃機関の点火システムの制御方法を説明するための図である。
【図７】第２の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す図である。
【図８】第２の実施の形態における内燃機関の点火システムの制御方法を説明するための図である。
【図９】第２の実施の形態における内燃機関の点火システムでの低温プラズマの発生状態を説明するための図である。
【図１０】第２の実施の形態における内燃機関の点火システムでの熱プラズマの発生状態を説明するための図である。
【図１１】第３の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成を示す図である。
【図１２】第３の実施の形態における内燃機関の点火システムの制御方法を説明するための図である。
【図１３】第３の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成の別例を示す図である。
【図１４】第３の実施の形態における内燃機関の点火システムの構成の別例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態における内燃機関の点火システム１００は、図１（図１Ａ及び図１Ｂ）に示すように、ピストン１２、シリンダ１４、シリンダヘッド１６、燃焼室１８、第１点火プラグ２０、第２点火プラグ２２、圧力センサ２４、点火回路２６及び制御部２８を含んで構成される。
【００１７】
燃焼室１８は、ピストン１２、シリンダ１４及びシリンダ１４の頂部であるシリンダヘッド１６によって形成される。ピストン１２は、シリンダ１４の内部に往復移動可能に収納されている。シリンダヘッド１６には、第１点火プラグ２０、第２点火プラグ２２、吸気弁（図示しない）及び排気弁（図示しない）が配置されている。燃焼室１８は、吸気弁を介して吸気口（図示しない）と接続し、排気弁を介して排気口（図示しない）と接続している。
【００１８】
なお、図１Ａは、シリンダヘッド１６に配置された第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２を側面からみた透過側面図を示し、図１Ｂは、燃焼室１８をシリンダヘッド１６側から見た第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２の配置を示す。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２は燃焼室１８内に向けて近接配置される。
【００１９】
吸気工程においては、吸気弁が開くとともにピストン１２が下降することで、吸気口から燃焼室１８内に吸気ガスが導入される。これと同時期に、吸気口に配置されている燃料噴射弁（図示せず）から吸気口に燃料が噴射され、吸気ガスと混合することにより、燃焼室１８に混合気が導入される。圧縮工程においては、吸気弁が閉じてピストン１２の上昇により混合気が圧縮される。燃焼室１８において圧縮された混合気は、第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２によって発生される火花によって点火されて燃焼する。燃焼後のガスは、排気工程において排気弁が開くことで、燃焼室１８から排気口へ排出される。
【００２０】
第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２は、点火回路２６に接続される。点火回路２６は、第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２のそれぞれに対して電圧を印加することによって燃焼室１８内に火花を発生させる。点火回路２６は、制御部２８によって制御される。制御部２８は、圧力センサ２４によって測定された燃焼室１８内の圧力を受けて、当該圧力に応じて点火回路２６を制御する。
【００２１】
本実施の形態における内燃機関の点火システム１００では、第１点火プラグ２０によって燃料（混合気）の低温プラズマを発生させ、第２点火プラグ２２によって低温プラズマよりも並進温度の高い熱プラズマを発生させることで、燃料の着火反応を維持及び促進させる。
【００２２】
プラズマは、気体分子が電離して、電子と陽イオンが独立に運動する状態である。そのため、電子のエネルギを表す電子温度、原子相互の振動エネルギと回転エネルギを表す振動温度と回転温度、通常のガス温度に相当する並進温度の４種類の温度が存在する。プラズマに供給されたエネルギは電子・振動・回転・並進の順に伝わる。回転と並進の間ではエネルギの交換が容易であるので、両者の温度は同等の水準となる。低温プラズマは、非熱平衡であり、電子・振動・回転（並進）の温度が異なる。低温プラズマとしては、ストリーマ放電、ナノパルス放電、高周波放電がある。一方、熱プラズマは、熱平衡であり、電子・振動・回転（並進）の温度が同等である。熱プラズマとしては、火花放電がある。
【００２３】
低温プラズマ形成時の着火遅れ時間は、雰囲気圧力と電子温度の関数で決められる。すなわち、図２に示すように、雰囲気圧力の増加に伴って電子温度が低下するため、着火遅れ時間低減率も低下する。ここで、着火遅れ時間低減率とは、数式（１）で表される。
【数１】
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【００２４】
なお、着火遅れ時間低減率は、以下の手順で事前に求めることができる。（１）与えられた電界強度、雰囲気圧力、混合気組成（例えば、ガス組成ＣＨ４／Ｏ２／Ｈ２＝１：２：８、当量比１、初期ガス温度１２００Ｋ）に対し、電子ボルツマン方程式を解いて定常状態（平行状態）での平均電子温度を求める。（２）得られた平均電子温度のもとで電子衝突反応計算を行い、電圧印加中の各ラジカル、イオン、電子濃度の時間履歴を求める。電子衝突反応計算は、図３に示す化学反応式に基づいて行う。（３）電圧印加終了時に得られたガス組成を初期条件として、燃焼反応計算を行い、着火遅れ時間を算出する。（４）電圧無印加時の着火遅れ時間に対する低減率を求める。
【００２５】
そこで、本実施の形態の制御部２８は、第１点火プラグ２０によって低温プラズマを形成させる際に雰囲気圧力に応じて電界強度を変化させて電子温度を一定以上に維持する制御を行う。制御部２８は、圧力センサ２４から燃焼室１８内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路２６から第１点火プラグ２０へ印加される電圧を高めるような制御を行う。
【００２６】
例えば、第１点火プラグ２０の中心電極に電圧を印加し、電界０．５ｋＶ／ｍｍを与えた条件下において、雰囲気圧力０．５ＭＰａ（５ａｔｍ）のときの着火遅れ時間低減率は５０％であり、そのときの電子温度は５０００Ｋである。電界０．５ｋＶ／ｍｍを維持した場合、雰囲気圧力０．８ＭＰａ（８ａｔｍ）に増加すると電子温度は３０００Ｋになり、着火遅れ時間低減率は０％となる。このように、雰囲気圧力の増加に伴って、電子温度は低下し、着火遅れ時間低減率も低下する。そこで、図４に示す雰囲気圧力と電界強度の組み合わせと電子温度との関係に基づいて第１点火プラグ２０へ印加する電圧を制御する。例えば、雰囲気圧力０．６ＭＰａ（６ａｔｍ）に増加した場合、電子温度を５０００Ｋ及び着火遅れ時間低減率を５０％に維持するためには電界強度が０．６ｋＶ／ｍｍとなるように第１点火プラグ２０に印加する電圧を高くする制御を行う。
【００２７】
また、図５に示すように、電子モル分率（電子濃度）は、第１点火プラグ２０への電圧印加（電界形成）後に一定の時間で飽和する。そこで、本実施の形態の制御部２８は、第１点火プラグ２０によって低温プラズマを形成させる際に雰囲気圧力に応じて電界が形成される時間幅を変える制御を行う。制御部２８は、圧力センサ２４から燃焼室１８内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路２６から第１点火プラグ２０へ電圧を印加する時間を長くするような制御を行う。
【００２８】
例えば、第１点火プラグ２０の中心電極に電圧を印加し、電界０．５ｋＶ／ｍｍを与えた条件下において、雰囲気圧力０．３ＭＰａ（３ａｔｍ）のときの電子モル分率（電子濃度）の飽和時間は５００μｓであり、雰囲気圧力０．５ＭＰａ（５ａｔｍ）のときの電子モル分率（電子濃度）の飽和時間は２５０μｓである。そこで、雰囲気圧力が０．５ＭＰａでは２５０μｓの電圧パルスを複数回に分けて第１点火プラグ２０に印加する。なお、一定濃度に達した電子は気流の影響により第１点火プラグ２０の下流に移動するので、電圧パルスを複数回に分けて印加することが好適である。
【００２９】
なお、雰囲気圧力と電子温度との関係及び雰囲気圧力と電子モル分率との関係は、内燃機関の点火システム１００の構成やサイズ等によって変化する。したがって、内燃機関の点火システム１００の構成やサイズに応じて雰囲気圧力と電子温度との関係及び雰囲気圧力と電子モル分率との関係を予め実験や解析で求めておき、その特性に基づいて制御を行うことが好適である。
【００３０】
さらに、本実施の形態の制御部２８は、第１点火プラグ２０による低温プラズマの形成後に第２点火プラグ２２によって熱プラズマが形成されるように制御を行う。具体的には、図６に示すように、第１点火プラグ２０に対して低温プラズマを形成するための電圧パルスを印加した後、第２点火プラグ２２に対して熱プラズマを形成するための電圧パルスを印加する。これにより、電子温度に加えて、並進温度を増加させて初期火炎の成長が促進される。
【００３１】
このとき、第１点火プラグ２０は、第２点火プラグ２２よりも気流の上流側に配置されていることが好適である（気流は図１の矢印で示す）。熱プラズマ（火花放電）形成時には、一定の濃度の電子が第２点火プラグ２２の付近に存在するので絶縁破壊電圧が低下する。その結果、第２点火プラグ２２による熱プラズマの形成が促進され、安定に維持される。
【００３２】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２の２つのプラグを用いて低温プラズマと熱プラズマを発生させる態様について説明したがこれに限定されるものではない。第２の実施の形態では、図７に示すように、電源３０、スイッチング素子３２及び点火プラグ３４を用いる。
【００３３】
点火プラグ３４は、図７の断面図に示すように、中心電極３４ａ、接地電極３４ｂ及び絶縁体３４ｃを含んで構成される。中心電極３４ａは、接地電極３４ｂに対して電圧が印加される電極である。本実施の形態では、中心電極３４ａは、円柱形状の導電材料から形成される。接地電極３４ｂは、電気的に接地される電極である。本実施の形態では、接地電極３４ｂは、円筒形状の導電材料から形成される。中心電極３４ａと接地電極３４ｂとの間は絶縁体３４ｃによって電気的に絶縁される。接地電極３４ｂは、中心に中心電極３４ａを通す孔が設けられた円盤形状の絶縁材料から形成される。接地電極３４ｂは、絶縁体３４ｃの周囲を取り囲むように配置される。これにより中心電極３４ａと接地電極３４ｂとは同軸に配置され、中心電極３４ａと接地電極３４ｂとの間には空隙Ｘが形成される。
【００３４】
なお、本実施の形態では、中心電極３４ａと接地電極３４ｂとを同軸に配置した構成としたが、平板を平行に配置した構成等としてもよい。
【００３５】
電源３０及びスイッチング素子３２は、点火回路２６に含まれる。電源３０は、所定の電圧を出力する直流電源とすることができる。スイッチング素子３２は、制御部２８からの制御により導通状態（オン状態）と遮断状態（オフ状態）とが切り替えられる。
【００３６】
制御部２８は、図８に示すように、燃料が燃焼室１８に供給された後、電源３０から点火プラグ３４へ短時間の通電を単発又は断続的に行う。これにより、図９に示すように、中心電極３４ａと接地電極３４ｂの間の空隙Ｘに低温プラズマが形成される。通電の電圧パルスの時間幅は、１０μｓ以上１ｍｓ未満とすることが好適である。低温プラズマを形成した後、低温プラズマの形成時に印加した電圧パルスよりも長いパルス幅を有する電圧パルスを点火プラグ３４へ印加する。通電の電圧パルスの時間幅は、０．１ｍｓ以上１ｍｓ以下とすることが好適である。これにより、図１０に示すように、中心電極３４ａの先端部と接地電極３４ｂの先端部との間に火花が発生し、その周辺に熱プラズマが形成される。
【００３７】
低温プラズマを形成する場合、第１の実施の形態における制御部２８による制御と同様の制御を行うことが好適である。すなわち、制御部２８は、圧力センサ２４から燃焼室１８内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路２６から点火プラグ３４へ印加される電圧を高めるような制御を行うことが好適である。この場合、点火回路２６に電源３０の出力電圧を昇圧する昇圧回路を設けてもよい。また、制御部２８は、圧力センサ２４から燃焼室１８内の雰囲気圧力の測定値を受けて、当該雰囲気圧力が高くなるにつれて点火回路２６から点火プラグ３４へ電圧を印加する時間を長くするような制御を行うことが好適である。
【００３８】
なお、第１の実施の形態のように圧力センサ２４を設けることなく、低温プラズマの形成開始時の絶縁破壊電圧から燃焼室１８内の雰囲気圧力を推定することも可能である。制御部２８は、点火プラグ３４に電圧を印加した後に絶縁破壊が生じたときの電圧に基づいて雰囲気圧力を推定する。例えば、絶縁破壊電圧と雰囲気圧力との関係を予め求めたマップを記憶させておき、それを参照することによって測定された絶縁破壊電圧に対応する雰囲気圧力を推定することができる。
【００３９】
また、第１の実施の形態において、第１点火プラグ２０の代わりに本実施の形態における点火プラグ３４を適用してもよい。
【００４０】
本実施の形態によれば、第１点火プラグ２０及び第２点火プラグ２２の２つの点火プラグを用いることなく、単一の点火プラグ３４によって着火を維持及び促進させ、安定して内燃機関を運転させることができる。
【００４１】
［第３の実施の形態］
第２の実施の形態では、１つの電源３０と１つのスイッチング素子３２を用いる態様について説明したがこれに限定されるものではない。第３の実施の形態では、図１１に示すように、点火プラグ３４、第１電源４０、第１スイッチング素子４２、第２電源４４及び第２スイッチング素子４６を含んで構成される。
【００４２】
第１電源４０は、高周波電源である。第１電源４０は、低温プラズマを発生させるために用いられる。第１スイッチング素子４２は、制御部２８からの制御によって、第１電源４０から点火プラグ３４へ高周波電圧を印加する導通状態（オン状態）と印加しない遮断状態（オフ状態）とが切り替えられる。第２電源４４は、直流電源又は第１電源４０より低周波の電源である。第２電源４４は、熱プラズマを発生させるために用いられる。第２スイッチング素子４６は、制御部２８からの制御によって、第２電源４４から点火プラグ３４へ直流電圧（又は低周波電圧）を印加する導通状態（オン状態）と印加しない遮断状態（オフ状態）とが切り替えられる。
【００４３】
制御部２８は、図１２に示すように、燃料が燃焼室１８に供給された後、パルスＡによって第１スイッチング素子４２をオフ状態からオン状態に切り替える。これにより、第１電源４０から点火プラグ３４へ高周波電圧が印加される。したがって、図９に示したように、中心電極３４ａと接地電極３４ｂの間の空隙Ｘに低温プラズマが形成される。低温プラズマを形成した後、第１スイッチング素子４２はオフ状態に戻される。制御部２８は、パルスＢにより第２スイッチング素子４６をオフ状態からオン状態に切り替える。これにより、第２電源４４から直流電圧（又は低周波電圧）が点火プラグ３４に印加される。したがって、図１０に示したように、中心電極３４ａの先端部と接地電極３４ｂの先端部との間に火花が発生し、その周辺に熱プラズマが形成される。
【００４４】
なお、図１３及び図１４に示すように、点火プラグ３４の中心電極３４ａの形状を変更してもよい。図１３に示す点火プラグ３４では、中心電極３４ａの先端部付近に接地電極３４ｂへ向けて凸部３４ｄが設けられている。また、図１４に示す点火プラグ３４では、中心電極３４ａの先端部付近に凹部３４ｅが設けられている。これによって、熱プラズマを発生させる際の放電が容易になる。
【符号の説明】
【００４５】
１２  ピストン、１４  シリンダ、１６  シリンダヘッド、１８  燃焼室、２０  第１点火プラグ、２２  第２点火プラグ、２４  圧力センサ、２６  点火回路、２８  制御部、３０  電源、３２  スイッチング素子、３４  点火プラグ、３４ａ  中心電極、３４ｂ  接地電極、３４ｃ  絶縁体、３４ｄ  凸部、３４ｅ  凹部、４０  第１電源、４２  第１スイッチング素子、４４  第２電源、４６  第２スイッチング素子、１００  点火システム（点火装置）。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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