(57)【要約】【課題】点火プラグ近傍に安定的な成層燃焼を可能とする混合気を形成すると共に、成層燃焼時のスモーク、未燃炭化水素の排出を抑制することができる筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。【解決手段】個音発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、ピストンの頂面の中央部に前記ピストンとほぼ同心円に形成された開口部を有する凹型球面状のキャビティを備え、前記キャビティの開口部は、前記吸気弁側に位置する吸気弁側周縁エッジ部と、前記排気弁側に位置する排気弁側周縁エッジ部とにより形成され、前記吸気弁側周縁エッジ部と前記排気弁側周縁エッジ部とのうちの一方は、他方に比して曲率半径の大きな曲面により形成されていることを特徴とするものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンを収納したシリンダと、前記シリンダに固定されたシリンダヘッドと、前記ピストンの頂面と前記シリンダヘッドの内面との間に形成された燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記シリンダの吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記シリンダの排気ポートに設けられた排気弁と、前記燃焼室の頂部の略中心部に位置して前記シリンダヘッドに固定された点火プラグとを有し、圧縮行程の間に前記燃料噴射弁から前記燃焼室内に噴射された燃料を、前記点火プラグにより点火して成層燃焼を行うようにした筒内噴射式火花点火内燃機関であって、
前記ピストンは、その頂面の中央部に前記ピストンとほぼ同心円に形成された開口部を有する凹型球面状のキャビティを備え、
前記キャビティの開口部は、前記吸気弁側に位置する吸気弁側周縁エッジ部と、前記排気弁側に位置する排気弁側周縁エッジ部とにより形成され、
前記吸気弁側周縁エッジ部と前記排気弁側周縁エッジ部とのうちの一方は、他方に比して曲率半径の大きな曲面により形成されている、
ことを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項２】
前記シリンダヘッドは、その内面に、前記シリンダの頂部に向かって傾斜する一対の傾斜面を備え、
前記ピストンは、その頂面に、前記シリンダヘッドの内面に形成された前記一対の傾斜面に夫々略平行傾斜する吸気弁側傾斜面と排気弁側傾斜面とを備え、
前記吸気弁側周縁エッジ部は、前記吸気弁側傾斜面に形成され、
前記排気弁側周縁エッジ部は、前記排気弁側傾斜面に形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【請求項３】
前記曲面は、前記吸気弁側周縁エッジ部と前記排気弁側周縁エッジ部との接続部に向かって曲率半径が漸次減少するように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
筒内噴射式火花点火内燃機関は、周知のように、内燃機関の筒内に直接燃料を噴射し、点火プラグによる火花放電により可燃混合気に点火して燃焼させるようにした内燃機関であるが、この筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程で筒内に燃料を噴射することにより、点火時点に於いて点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成し、筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能とする成層燃焼を実施するようにしたものがある。
【０００３】
しかし成層燃焼の場合、可燃混合気の形成位置が点火プラグからずれると、着火不良や失火、並びに着火タイミングの遅れによる燃焼変動を生じるため、良好な成層燃焼を実施するためには、点火プラグ近傍に可燃混合気を安定的に形成することが重要となる。
【０００４】
これに対して、従来の筒内噴射式火花点火内燃機関の中には、燃焼室頂部のほぼ中央部に点火プラグを配置すると共に燃焼室頂部の周縁部に燃料噴射弁を配置し、燃料噴射弁の下方から点火プラグの下方まで延びる凹溝をピストン頂面に形成し、吸気弁下方のシリンダ内壁面に沿って下降した後ピストン頂面上において向きを変え、次いで排気弁下方において上昇する旋回流（タンブル流）を燃焼室内に発生させ、燃料噴射弁から凹溝内に向けて噴射された燃料を凹溝の底壁面により案内して点火プラグ近傍に向かわせることで、混合気を点火プラグ近傍に形成させて成層燃焼を実施する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
又、従来、ピストンの冠面に凹状でかつ周縁部が隆起して稜線をなすキャビティを有し、かつ前記キャビティの中心をピストンの中心に対しオフセットさせると共に、最適に設定されたキャビティ内の隅部のアールにより、成層混合気をスムーズに点火プラグ近傍に輸送し、成層燃焼を実施するようにした技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−５４２４７号公報
【特許文献２】特開平１１−１８２３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図７は、従来の筒内噴射式火花点火内燃機関に於ける圧縮行程後期の混合気挙動を示す説明図である。従来の筒内噴射式火花点火内燃機関は、図７に示すように、凹溝（キャビティ）３１がピストン３６の中心３２に対して吸気弁３３側に偏った位置に形成されており、内燃機関の圧縮行程後期に於いて、排気弁３４側のシリンダヘッド３５とピストン３６との間のスキッシュ部からキャビティ３１方向に向かって発生するスキッシュ流３７により、燃料噴射後にキャビティ３１の底壁面や、キャビティ３１内の隅部のアール部Ｒにより点火プラグ３８近傍に案内された混合気３９が点火プラグ３８近傍から離れた場所へと押し流されてしまうため、点火位置での混合気濃度がリーン化して点火や火炎伝播が悪化するなど、安定的な成層燃焼の実現が困難となる問題がある。
【０００８】
特に筒内噴射式火花点火内燃機関を、熱効率・燃料消費率の向上を狙って高圧縮比に設定した場合には、前述のスキッシュ部はより狭くなって、圧縮行程後期にキャビティ３１に押し出されるガス量が多くなりスキッシュ流３７の強さが増大することから、点火プラグ３８近傍の混合気３９はより点火プラグ３８から離れた場所へと押し流されて成層燃焼が不安定となる。
【０００９】
又、一方で、ピストン頂部のキャビティ３１に向けて噴射され、キャビティ内壁面に付着した燃料は、ピストン壁面からの受熱、及び燃焼室の圧縮により高温化したガスからの受熱により気化が進行するが、圧縮行程後半では、ピストンの上昇により燃焼室が扁平化するのに伴い、吸気行程において燃焼室内に形成されたタンブル流は押しつぶされて急激に減衰することから、気化した燃料は点火プラグ方向へと十分に輸送されず、その結果、キャビティ壁面の近傍に燃料濃度の濃い混合気がたまってしまうため、成層燃焼時にスモークや未燃炭化水素が多く発生する要因となる。
【００１０】
この発明は、前述のような従来の筒内噴射式火花点火内燃機関に於ける課題を解決するためになされたものであり、高圧縮比の筒内噴射式火花点火内燃機関のようなスキッシュ流が強く混合気が安定し難い条件においても点火プラグ近傍に安定した混合気を形成すると共に、成層燃焼時のスモーク、未燃炭化水素の発生を抑制可能とする筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、ピストンを収納したシリンダと、前記シリンダに固定されたシリンダヘッドと、前記ピストンの頂面と前記シリンダヘッドの内面との間に形成された燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記シリンダの吸気ポートに設けられた吸気弁と、前記シリンダの排気ポートに設けられた排気弁と、前記燃焼室の頂部の略中心部に位置して前記シリンダヘッドに固定された点火プラグとを有し、圧縮行程の間に前記燃料噴射弁から前記燃焼室内に噴射された燃料を、前記点火プラグにより点火して成層燃焼を行うようにした筒内噴射式火花点火内燃機関であって、前記ピストンは、その頂面の中央部に前記ピストンとほぼ同心円に形成された開口部を有する凹型球面状のキャビティを備え、前記キャビティの開口部は、前記吸気弁側に位置する吸気弁側周縁エッジ部と、前記排気弁側に位置する排気弁側周縁エッジ部とにより形成され、前記吸気弁側周縁エッジ部と前記排気弁側周縁エッジ部とのうちの一方は、他方に比して曲率半径の大きな曲面により形成されている、
ことを特徴とするものである。
【００１２】
この発明による筒内噴射式火花点火内燃機関は、ピストンの上昇によりピストン頂面側へと偏流したスキッシュ流が、前記吸気弁側周縁エッジ部と前記排気弁側周縁エッジ部とのうちの一方を形成する曲面によりガイドされてキャビティの内壁面に沿う流動となる一方で、前記吸気弁側周縁エッジ部と前記排気弁側周縁エッジ部とのうちの他方側では、スキッシュ流は周縁エッジ部で剥離し、そのままキャビティ上部へと向かう流動となることから、これら一対の強さのほぼ等しいスキッシュ流れの相互作用によって、キャビティ内部にタンブル流動を形成する。
【００１３】
その結果、圧縮行程後期に発生するスキッシュ流によって燃焼室外周部からキャビティ中心部へと集められる混合気は、その後上記キャビティ内のタンブル流動に乗ってキャビティ中心部にしっかりと保持されることになるため、キャビティ中心上部に設けられた点火プラグの近傍に安定した混合気を長期間にわたって形成する。
【００１４】
又、キャビティ内部に形成された前記タンブル流動は、圧縮行程噴射時にキャビティ内壁面に付着した燃料と圧縮高温ガスとの熱伝達を向上させるため、付着燃料の気化を促進すると共に、気化した燃料を壁面近傍に滞留させることなく輸送・攪拌し、空気との混合を促進することで燃料濃度が均質化されるため、成層燃焼時においてスモークや未燃炭化水素の排出を抑制する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、ピストンは、その頂面の中央部に前記ピストンとほぼ同心円に形成された開口部を有する凹型球面状のキャビティを備え、前記キャビティの開口部は、吸気弁側に位置する吸気弁側周縁エッジ部と、排気弁側に位置する排気弁側周縁エッジ部とにより形成され、前記吸気弁側周縁エッジ部と前記排気弁側周縁エッジ部とのうちの一方は、他方に比して曲率半径の大きな曲面により形成されているので、圧縮行程後期において発生するスキッシュ流は、燃焼室外周部からキャビティ中心部へと向かう流れとなると共に、キャビティ中心に対して対向するスキッシュ流の強さはほぼ等しくバランスすることから、圧縮行程噴射により燃焼室内に形成された混合気は、圧縮行程後期に於いて、スキッシュ流により確実にキャビティの中心部に向けて集められ、点火プラグ近傍に安定した混合気を形成すると共に、成層燃焼時のスモーク、未燃炭化水素の発生の抑制が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関の縦断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於けるピストンの上面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程噴射を行ったときの燃料噴霧挙動を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程噴射終了後に形成される混合気挙動を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程後期に形成されるスキッシュ流、並びに混合気挙動を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程後期に形成されるタンブル流動、並びに混合気挙動を示す説明図である。
【図７】従来の筒内噴射式火花点火内燃機関に於ける圧縮行程後期の混合気挙動を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関について、図を参照して説明する。図１は、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関の縦断面図である。図２は、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於けるピストンの上面図である。図１及び図２に於いて、円筒形のシリンダ１内にはピストン２が嵌合されている。シリンダ１の上には、所謂、ペントルーフ型のシリンダヘッド３が固定されており、ピストン２の頂面とシリンダヘッド３の下面との間に燃焼室４が形成されている。
【００１８】
シリンダヘッド３には、２つの吸気ポート５（図１には１つのみ表示されている）と、２つの排気ポート６（図１には１つのみ表示されている）が設けられている。吸気ポート５は吸気弁７を介して燃焼室４内に通じ、排気ポート６は排気弁８を介して燃焼室４内に通じている。又、シリンダヘッド３には燃焼室４内へ燃料を直接噴射する燃焼噴射弁９が、その中心軸が斜め下方を向くように設置されていると共に、シリンダヘッド３の中央部には点火プラグ１０が設置されている。
【００１９】
ペントルーフ型のシリンダヘッド３は、図１に示すように吸気弁７側と排気弁８側に夫々形成された２つの傾斜面を備えている。ピストン２の頂面は、シリンダヘッド３の吸気弁７側の傾斜面に略平行に傾斜する吸気弁側傾斜面１１と、シリンダヘッド３の排気弁８側の傾斜面に略平行に傾斜する排気弁側傾斜面１２とを備えている。又、ピストン２の頂面中央部には、図１及び図２に示すように、開口部の形状がピストン外形円の中心１３と同一の中心を有する円形凹型の球面状のキャビティ１４が設けられている。
【００２０】
又、ピストン２の頂面に於けるキャビティ１４の開口部の周縁エッジ部のうち、排気弁側傾斜面１２上に位置する排気弁側周縁エッジ部１４１は、排気弁側傾斜面１２と球面状のキャビティ１４の内壁面とをなめらかに接続する曲率半径の大きな曲面に形成されている。一方、キャビティ１４の開口部の周縁エッジ部のうち、吸気弁側傾斜面１１上に位置する吸気弁側周縁エッジ部１４２は、曲面には形成されていない。尚、吸気弁側周縁エッジ部１４２を曲面により形成した場合でも、その曲率半径は、排気弁側周縁エッジ部１４１を形成する曲面の曲率半径よりも小さな曲率半径とされる。排気弁側周縁エッジ部１４１と吸気弁側周縁エッジ部１４２との２か所の接続部１６に於いて燃焼室流動の乱れ変動や付着燃料だまりの要因となる段差ができないように、排気弁側周縁エッジ部１４１の曲面の曲率半径は、吸気弁側周縁エッジ部１４２に向かって漸次小さくなるように形成されている。
【００２１】
次に、以上のように構成されたこの発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関の動作について説明する。図３は、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程噴射を行ったときの燃料噴霧挙動を示す説明図である。成層燃焼の実施に於いて、図３に示すように、燃料噴射弁９から内燃機関の負荷や回転数等の運転条件に対応した燃料噴射量（噴射期間）、及び燃料噴射タイミングにより、燃焼室４内に向けて燃料噴霧２０が噴射される。
【００２２】
噴射された燃料噴霧２０は、燃焼室４内のガスからの受熱により気化され、燃焼室４内に混合気を形成する一方で、成層燃焼に於ける圧縮行程噴射では、図３に示すように、燃料噴射期間に於いても時々刻々と容積が減少する狭い燃焼室４内に燃料を噴射しなければならないこと、並びに一般的に燃料噴霧２０を微粒化して燃料の気化を促進させることを目的として燃料が高圧噴射されるため、燃料は燃焼室４内のガス流動に比べて比較的強い勢いで噴射される。このため、燃料噴射量や燃料噴射タイミング、内燃機関の回転数によるピストン上昇速度といった運転条件にも依存するが、多くの内燃機関の運転条件に於いて、燃料噴霧２０の一部は十分に気化されないままピストン２の頂面に衝突して付着し、ピストン２の頂面、主にピストン２の頂面に設けたキャビティ１４の内壁面に燃料液膜２１が形成される。
【００２３】
図４は、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程噴射終了後に形成される混合気挙動を示す説明図である。燃料噴射終了後に於いては、燃焼室４内に形成された混合気は、燃焼室４内での流動や周囲のガスとの燃料濃度差による濃度拡散により、燃焼室４内に拡散していく一方で、ピストン２の頂面に形成された燃料液膜２１はピストン２からの受熱、又は燃焼室４の圧縮によって高温化したガスからの受熱により気化が進行するため、一般的に図４に示すように、キャビティ４の内壁面近傍の燃料濃度が濃く、燃焼室４外周に向かって燃料濃度が薄くなる混合気２２が燃焼室４内に形成される。
【００２４】
このとき、一般的にピストン２の頂面にキャビティ１４を有する燃焼室４では、圧縮行程後期に於いて、燃焼室４内で容積が大きく減少するキャビティ外周部分であるスキッシュ部から容積の大きいキャビティ１４に向けてガスを押し込もうとする流れ、所謂、スキッシュ流が発生する。
【００２５】
この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関では、図２に示したように、ピストン２の頂面の中心に凹型のキャビティ１４をピストン外形円と同心円状の開口部を有するように設けているため、キャビティ１４の外部の燃焼室４の容積はキャビティ１４の中心に対して対称である。
【００２６】
図５は、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程後期に形成されるスキッシュ流、並びに混合気挙動を示す説明図である。図５に示すように、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、圧縮行程後期で燃焼室４内に発生する吸気弁側スキッシュ流１７、並びに排気弁側スキッシュ流１８は、全て燃焼室４の外周部からキャビティ１４の中心部へと向かう流れとなると共に、キャビティ１４の中心に対して対向する吸気弁側スキッシュ流１７と排気弁側スキッシュ流１８の強さはほぼ等しく、キャビティ１４中心に於いてバランスする。
【００２７】
その結果、圧縮行程噴射により燃焼室４内に形成された図４に示す混合気２２は、燃焼室４の圧縮が進行して圧縮行程後期になると、図５に示すように、吸気弁側スキッシュ流１７、並びに排気弁側スキッシュ流１８により確実にキャビティ１４の中心部に向けて集められる。ここで、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関では、図１に示すように、ペントルーフ型のシリンダヘッド３と、ペントルーフ型のピストン２の頂面で構成された高圧縮比タイプの燃焼室４とされているため、圧縮行程後期に於いて強い排気弁側スキッシュ流１８、及び吸気弁側スキッシュ流１７を発生させることができ、確実にキャビティ１４の中心部に混合気２２を集めることが可能となる。
【００２８】
図６は、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いて、圧縮行程後期に形成されるタンブル流動、並びに混合気挙動を示す説明図である。図６に示すように、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関に於いては、キャビティ１４の排気弁側周縁エッジ部１４１が、排気弁側傾斜面１２と球面状のキャビティ１４の内壁面とをなめらかにつなぐように曲率半径の大きな曲面により形成されているため、排気弁側傾斜面１２からキャビティ１４の中心に向かって流れる排気弁側スキッシュ流１８は、ピストン２の上昇によりピストン２の頂面側へと偏流されると共に曲面により形成された排気弁側周縁エッジ部１４１によりガイドされ、キャビティ１４の内壁面に沿った流動となる。
【００２９】
一方で、曲率半径の大きな曲面に形成されていない吸気弁側周縁エッジ部１４２では、ピストン２の頂面に沿って流れた吸気弁側スキッシュ流１７は、鋭角状の吸気弁側周縁エッジ部１４２により吸気弁側傾斜面１１から剥離され、図６に示すようにそのままキャビティ１４の上部へと向かう流動となる。
【００３０】
その結果、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関では、キャビティ１４の内壁面に沿って流れる排気弁側スキッシュ流１８と、キャビティ１４の上部へと向かって流れる吸気弁側スキッシュ流１７との、強さのほぼ等しい一対の流れの相互作用によって、キャビティ１４内に、図６に示すようなタンブル流動１９が形成される。
【００３１】
従って、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関では、圧縮行程後期に発生するスキッシュ流によって燃焼室４の外周部からキャビティ１４の中心部へと集められた混合気２２は、その後、キャビティ１４内に形成されたタンブル流動１９に乗ってキャビティ１４中心部に十分に保持されることになるため、キャビティ１４の中心上部に設けられた点火プラグ１０の近傍に、安定した混合気２３を長期間にわたって形成することが可能である。
【００３２】
従って、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、図４に示したように圧縮行程噴射により燃焼室４内に形成された混合気２２は、図５に示したように圧縮行程後期に於いて発生するスキッシュ流によって燃焼室４の外周部からキャビティ１４の中心部へと確実に集められると共に、図６に示したようにキャビティ１４内のタンブル流動１９に乗ってキャビティ１４の中心部に十分に保持されることになるため、キャビティ１４の中心上部に設けられた点火プラグ１０の近傍に安定した混合気２３を長期間にわたって形成することができ、従って様々な運転条件に対しても燃焼変動のない安定的な成層燃焼を実現できる。
【００３３】
又、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関では、圧縮行程後期に於いて、燃焼室４の圧縮により高温となったガスが排気弁側スキッシュ流１８としてキャビティ１４の内壁面に沿って流れるため、圧縮行程噴射時にキャビティ１４の内壁面に付着した燃料液膜２１と圧縮高温ガスとの熱伝達を向上させ、燃料液膜２１の気化を促進すると共に、キャビティ１４内に形成されたタンブル流動１９が気化した燃料をキャビティ１４の壁面近傍に滞留させることなく輸送して攪拌し、空気との混合を促進することで燃料濃度が均質化されるため、成層燃焼時においてスモークや未燃炭化水素の排出を抑制できる。
【００３４】
加えて、この発明の実施の形態１による筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、燃料液膜２１の気化促進により、点火タイミングまでに気化されずに残る燃料液膜が減少し、噴射された燃料が有効に利用されることから、燃焼効率が改善されて内燃機関の出力、燃料消費率を向上できると共に、燃焼変動の要因の１つとされるピストン頂面へのデポジット形成を抑制することもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１    シリンダ                            ２    ピストン
３    シリンダヘッド                      ４    燃焼室
５    吸気ポート                          ６    排気ポート
７    吸気弁                              ８    排気弁
９    燃料噴射弁                          １０    点火プラグ
１１    ピストンの吸気弁側傾斜面          １２    ピストンの排気弁側傾斜面
１３    ピストンの中心                    １４    凹型の球面状キャビティ
１５    曲面                              １７    吸気弁側スキッシュ流
１８    排気弁側スキッシュ流              １９    タンブル流動
２０    燃料噴霧                          ２１    燃料液膜
２２    圧縮行程噴射により形成された混合気
２３    キャビティ中心部に保持された混合気
１４１    排気弁側周縁エッジ部            １４２    吸気弁側周縁エッジ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011214557.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011214557.tif 000007
【図６】
2011214557.tif 000008
【図７】
2011214557.tif 000009