(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室（７０）を備えた内燃機関（１２）の内燃機関のエアシステムであって、
第１の吸気を受けて、前記第１の吸気を窒素富化空気および酸素富化空気に分離させる分離装置（１２６）と、
前記分離装置（１２６）および前記燃焼室（７０）に連通し、前記酸素富化空気を前記燃焼室（７０）の中央部（１７０）に案内すると共に、前記窒素富化空気を前記燃焼室（７０）の周縁に案内するエンジン部品（１６２）と、を備えたことを特徴とする内燃機関のエアシステム。
【請求項２】
前記エンジン部品（１６２）は、
酸素富化空気を前記燃焼室（７０）の中央部（１７０）へ案内する第１弁部材（４１０）と、
前記窒素富化空気を前記燃焼室（７０）の周縁部（１７４）へ案内する第２弁部材（４１４）とを備え、前記第２弁部材（４１４）は、弁本体（４７０）および前記弁本体（４７０）に対して移動可能な弁要素（４７４）を備え、前記弁本体（４７０）および弁要素（４７４）は、環状をなして前記第１弁部材（４１０）の周囲に設けられている請求項１に記載の内燃機関のエアシステム。
【請求項３】
前記エンジン部品（１６２）は、
酸素富化空気を燃焼室（７０）の中央部（１７０）へ案内する第１弁部材（４１０）と、
窒素富化空気を前記燃焼室（７０）の周縁部（１７４）へ案内する複数の第２弁部材（９１４）とを備え、前記複数の第２弁部材（９１４）は、前記第１弁部材（４１０）の周囲を環状に配置されている請求項１に記載の内燃機関のエアシステム。
【請求項４】
前記エンジン部品（１６２）は、
酸素富化空気を前記燃焼室（７０）の中央部（１７０）へ噴射するガス噴射器と、
前記燃焼室（７０）の周縁部（１７４）へ窒素富化空気を案内する少なくとも１つのガス噴射器、または少なくとも１つの弁部材（４１４，９１４）と、を備えている請求項１に記載の内燃機関のエアシステム。
【請求項５】
入力部材（２３０）を備え、吸気を加圧するコンプレッサ（２２２）と、
前記入力部材（２３０）に駆動可能に連結され、前記入力部材（２３０）の回転速度を制御してコンプレッサ（２２２）の吐出圧を調整する電動モータ（３５０）と、を備え、
前記分離装置（１２６）は、ハウジング（２５４）および膜（２５８）を備え、
前記ハウジング（２５４）は、前記コンプレッサ（２２２）に連通接続されて、前記コンプレッサ（２２２）から第１の吸気を受け、
前記膜（２５８）は、前記ハウジング（２５４）内に設けられて、前記第１の吸気を窒素富化空気および酸素富化空気に分離させることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関のエアシステム。
【請求項６】
燃焼室（７０）、センサ（１３０）、エア充填装置（１１８）、およびエア分離膜（２５８）を備えた内燃機関（１２）の運転方法であって、
前記内燃機関（１２）の運転状態を前記センサ（１３０）で検知し、
前記運転状態に基づいて、前記エア充填装置（１１８）の吐出空気の圧力を調整し、
窒素富化空気の流れと酸素富化空気の流れとに前記吐出空気を前記エア分離膜（２５８）で分離し、
前記内燃機関（１２）の吸気行程において、前記燃焼室（７０）の中央部（１７０）に前記酸素富化空気の流れを導入し、
前記内燃機関（１２）の前記吸気行程において、前記窒素富化空気の流れを前記燃焼室（７０）の周縁部（１７４）へ導入する、ことを特徴とする内燃機関の運転方法。
【請求項７】
前記窒素富化空気の流れおよび酸素富化空気の流れに前記吐出空気を分離する前に、前記吐出空気を冷却する請求項６に記載の内燃機関の運転方法。
【請求項８】
前記運転状態が、冷間始動状態、加速状態、高負荷状態、または低外気温度状態の何れかである場合に、前記窒素富化空気の流れに対する前記酸素富化空気の流れの比率を増大させ、
前記運転状態が、高間始動状態、定常状態、または高外気温度状態の何れかである場合に、前記窒素富化空気の流れに対する前記酸素富化空気の流れの比率を減少させることを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は内燃機関のエアシステムおよび内燃機関の運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この段落は、この開示に関連する背景情報を提供するが、それは必ずしも先行技術ではない。
【０００３】
一般的に、内燃機関は、外気を燃焼室に取り込んで、ピストン−シリンダ等の加圧装置により当該空気および燃料を加圧し、空気と燃料の混合気を点火して燃焼を生じさせる。通常、燃焼ガスは、膨張することで加圧装置に作用し、例えばクランクシャフトを駆動させるピストンを作動させる。その後、燃焼ガスは、内燃機関の排出部を介して燃焼室から吐き出される。内燃機関において、軽油、ガソリン、エタノール、天然ガス等の燃料の燃焼は、通常、不完全燃焼となる。この不完全燃焼は、排出部を介して排出される窒素酸化物（ＮＯｘ）や微粒子物質（例えば、煤）等の増大をもたらし得る。更に、ＮＯｘの排出レベルは、燃焼室温度の上昇に伴って大きくなり、燃焼室温度の上昇は、内燃機関の他の部品に対する劣化をもたらし得る。
【０００４】
ＮＯｘの排出の低減および燃焼室温度の低下を図るため、近年の内燃機関は、排気の一部を燃焼室に再循環させる排気再循環システム（ＥＧＲシステム）を採用している。ところが、このようなＥＧＲシステムは、内燃機関にとって複雑かつ高価な追加物となり得る。更に、例えば、ディーゼルエンジンのような形態においては、ＥＧＲシステムは、燃費効率の低下および微粒子状物質の排出の増大にもなり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許５６３６６１９号公報
【発明の概要】
【０００６】
この項は、発明に関する概略的な開示を与えるが、その全範囲またはその全特徴の包括的な開示ではない。
【０００８】
本発明の第１の態様は、燃焼室を備えた内燃機関のエアシステムであって、第１の吸気を受けて、第１の吸気を窒素富化空気および酸素富化空気に分離させる分離装置と、分離装置および燃焼室に連通し、酸素富化空気を燃焼室の中央部に案内すると共に、窒素富化空気を燃焼室の周縁に案内するエンジン部品と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の態様は、燃焼室、センサ、エア充填装置、およびエア分離膜を備えた内燃機関の運転方法であって、内燃機関の運転状態をセンサで検知し、運転状態に基づいて、エア充填装置の吐出空気の圧力を調整し、窒素富化空気の流れと酸素富化空気の流れとに吐出空気をエア分離膜で分離し、内燃機関の吸気行程において、燃焼室の中央部に酸素富化空気の流れを導入し、内燃機関の吸気行程において、窒素富化空気の流れを燃焼室の周縁部へ導入する、ことを特徴とする。
【００１０】
この発明を適用可能な分野はここでの開示によって明らかにされる。この発明の概要における説明と具体的な例示とは、具体的な説明を与える用途だけを意図したものであって、本発明の技術的範囲を限定することを意図したものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
ここに説明された図面は、選択された実施形態を図示するためだけのものであって、すべての実用的な可能性を示すものではない。そして、ここに説明された図面は、発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、本開示における内燃機関およびエア処理装置を備えた代表的な車両を示す。
【図２】図２は、本開示における内燃機関およびエア処理装置の概略図である。
【図３】図３は、図２のエア処理装置におけるガス分離装置を示す断面図であり、（ａ）は部分断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一部を示す。
【図４】図４は、図２の内燃機関に用いられる第１の態様に係るシリンダヘッドの一部を示す平面図であって、第１吸気弁および第１吸気弁に環状に設けられた第２吸気弁を示す。
【図５】図５は、図２の内燃機関の一部を示す断面図であって、吸気行程において、図４のシリンダヘッドを通って内燃機関の燃焼室へ流入する空気の流れを示す。
【図６】図６は、図５と同様な断面図であって、圧縮行程において燃焼室内で酸素富化空気および窒素富化空気を分配する様子を示す。
【図７】図７は、図５と同様な断面図であって、燃焼行程においてガスが燃焼する様子を示す。
【図８】図８は、図５と同様な断面図であって、排気行程における燃焼生成物の流れを示す。
【図９】図９は、図２の内燃機関に用いられる第２の態様に係るシリンダヘッドの一部を示す平面図であって、第１吸気弁および第１吸気弁に対して環状に設けられた複数の第２吸気弁を示す。
【００１２】
図面全体で、同一の参照符号は、対応する部分を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながらこの開示の複数の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
本開示は、内燃機関に用いられるエアシステムを対象とする。内燃機関としては、ピストン−シリンダエンジンやワンケルエンジン等、各種のものを採用し得る。また、内燃機関は、軽油、ガソリン、エタノールまたは天然ガス等、いかなる燃料で作動するものであってもよい。内燃機関は、移動のための動力を供給する、自動車、トラック、機械装置、航空機、船舶車、その他の各種の乗り物内に搭載され得る。しかしながら、内燃機関は、乗り物または乗り物以外（例えば、発電機や機械装置を作動させるためのもの等）の他の応用として用いることができる。図１は、内燃機関１２、燃料タンク１４、エア処理装置１６、および排気システム１８を備えた車両１０を例示する。
【００１５】
図２は、内燃機関１２、エア処理装置１６および排気システム１８を示す概略図である。更に図４〜図８を参照して、提示されたある種の態様の内燃機関１２は、エンジンブロック５０、シリンダヘッド５４、少なくとも１つの加圧装置（例えば、ピストン）５８、および燃料供給装置６２を備えたピストン−シリンダ型内燃機関として示されている。エンジンブロック５０には、少なくとも１つのシリンダ６６が形成され得る。シリンダ６６の数は、ピストン５８の数に対応し得る。ある種の形態では、内燃機関１２は、直列４気筒エンジンであり得るが、いかなる構成のシリンダ６６を幾つ備えていても構わない。ピストン５８は、シリンダ６６にスライド自在に設けられ、クランクシャフト（図示せず）に駆動可能に連結されて、シリンダ６６内でのピストン５８の線形動作をクランクシャフト（図示せず）の回転動作に変換する。シリンダ６６、シリンダヘッド５４およびピストン５８は、燃焼室７０を規定し得る。なお、ピストン―シリンダ型内燃機関１２を参照して図示および説明するが、本開示の発明は、ロータリーエンジンまたは、ワンケルエンジン等、他のタイプの内燃機関においても用いることができる。このようなエンジンにおいては、加圧装置５８は、ピストン以外の装置であり、また、シリンダ６６は、例えばワンケルエンジンのローターおよびハウジング等、他の適当な機械的構造に置き換えられる。
【００１６】
図２に戻り、排気システム１８は、排気マニホールド７４、排気管７８、および燃焼後排気装置８２を備える。排気マニホールド７４は、シリンダヘッド５４に連結され、燃焼室７０から吐き出された排ガスを受けるようになっている。排気マニホールド７４は、排ガスを排気管７８内へ案内する。燃焼後排気装置８２は、排気管７８に直列的に連通して設けられ、触媒コンバータ、選択的触媒還元装置、またはディーゼル微粒子捕集フィルタ（ＤＰＦ）等、適切な排気制御装置であり得る。排気管７８は、排気マニホールド７４から受けた排ガスを、内燃機関１２または車両１０の外部１１０（例えば外気）へ向けて排ガスを排出する（図１参照）。
【００１７】
エア処理装置１６は、エアフィルタ１１４、エア充填装置１１８、エア冷却装置（熱交換器）１２２、およびガス分離装置１２６を備えている。更に、エア処理装置１６は、センサ１３０、制御装置１３４、吸気マニホールド１３８、および第１、第２、および／または第３ガス比率制御システム１５０，１５４，１５８を備えている。エア処理装置１６は、ガス分配システム（エンジン部品）１６２（図５〜図８参照）を有する。第１、第２、および／または第３ガス比率制御システム１５０，１５４，１５８は、以下に説明するように、それぞれ、内燃機関１２の吸気行程において燃焼室７０（図５参照）に流入するガス（例えば、窒素富化空気、酸素富化空気、吸気（第２の吸気））の比率を制御する。ガス分配システム１６２（図５〜図８参照）は、以下に説明するように、燃焼室７０（図５参照）の中央部１７０（図５参照）内へ酸素富化空気を分配すると共に、および燃焼室７０の周縁部１７４（図５参照）内へ窒素富化空気を分配する。
【００１８】
エア処理装置１６は、車両１０（図１参照）のエンジンベイ（特に図示せず）内にある外気等の吸気源２１４、または吸気源２１４からの吸気を受ける車両１０の外部装置に連通する第１導管２１０を備える。エアフィルタ１１４は、第１導管２１０に直列的に連通して、第１導管２１０から吸気を受ける。エアフィルタ１１４は、例えば、塵、紛体等の微粒子および異物を空気から除去し、または吸気から液体等を除去する各種のフィルタである。エアフィルタ１１４は、エアフィルタ１１４からエア充填装置１１８へ供給する第２導管２１８を介してエア充填装置１１８に連通している。
【００１９】
エア充填装置１１８は、第１の圧力で吸気を受け、第１の圧力よりも高い第２の圧力で吸気を出力する各種のエア充填装置であり得る。ある種の形態では、エア充填装置１１８は、コンプレッサ２２２、タービン２２６および入力部材２３０を備えたターボチャージャーシステムである。タービン２２６は、排気管７８に直列的に連通して、タービン要素（図示せず）がタービン２２６を流通する排ガスによって回転自在に駆動される。タービン２２６は、入力部材２３０に駆動可能に接続され、タービン要素の回転によって入力部材２３０を回転させるよう構成される。入力部材２３０は、コンプレッサ２２２のコンプレッサ要素またはインペラ（図示せず）に駆動可動に連結され、入力部材２３０の回転がコンプレッサ２２２内のインペラを回転させ得るようになっている。コンプレッサ２２２は、第２導管２１８に連通し、第２導管２１８から吸気を受ける。コンプレッサ２２２は、インペラが回転すると、吸気を加圧する。なお、ターボ―チャージャーシステムが特定の例として説明したが、エア充填装置として、スーパーチャージャー、電動コンプレッサ、またはハイブリッドエア充填装置等、他のタイプの充填装置を採用し得る。
【００２０】
エア冷却装置１２２は、インタークーラ、アフタークーラ、または他の熱交換器等、加圧されまたは充填された空気を冷却するのに適した各種の冷却装置であり得る。エア冷却装置１２２は、第３導管２３４を介してコンプレッサ２２２に連通し、第３導管２３４から供給された吸気を受ける。エア冷却装置１２２は、冷却剤２３８がエア冷却装置１２２を流通または通過して、エア冷却装置１２２を流通する充填された吸気から熱を除去し得るよう構成されている。冷却剤２３８は、内燃機関１２または車両１０（図１）の周囲の外気、または水、オイル、または冷媒等の冷却液であり得る。本開示の例では、エア冷却装置１２２は、コンプレッサ２２２およびガス分離装置１２６の間に設けられ、ガス分離装置１２６に流入する前に充填された吸気が冷却される。他の異なる態様として、図２の破線で示すエア冷却装置１２２Ａとして後述するように、エア冷却装置１２２をガス分離装置１２６の下流に位置させて、ガス分離装置１２６から分離された空気を受けるようにしてもよい。
【００２１】
ガス分離装置１２６は、第４導管（第２の導管）２４２を介してエア冷却装置１２２に連通し、第４導管２４２から吸気を受けるようになっている。更に、図３（ａ）および図３（ｂ）を参照して、ガス分離装置１２６は、コンプレッサ２２２から受けた充填された吸気２４４の流れを、窒素富化空気２４６（すなわち、Ｎ２リッチ空気）の流れおよび酸素富化空気２５０（Ｏ２リッチ空気）の流れに分離させる。本例では、ガス分離装置１２６は、ハウジング２５４および膜構造（膜，エア分離膜）２５８を備える。ハウジング２５４は、入口２６２、第１出口２６６、第２出口２７０を備え、内部空間２７４が形成されている。入口２６２は、第４導管２４２（図２参照）に連通し、第４導管２４２から吸気（第１の吸気）を受ける。
【００２２】
膜構造２５８は、内部空間２７４内に設けられ、酸素または窒素の何れかを透過させる膜壁２７８を備える。膜壁２７８は、内部空間２７４を第１領域２８２および第２領域２８６に分ける。第１領域２８２は、第１出口２６６に連通している。第２領域２８６は、第２出口２７０に連通している。本例では、膜構造２５８は、複数のクロスフローまたは接線方向フローの膜管２９０を備え、浸透物または濾過物が膜管２９０を通過して第１領域２８２へ流入すると共に、残余物が膜管２９０を通過して第２領域２８６へ流入するようになっている。但し、膜構造２５８としては、他の構成を採用し得る。本例では、膜管２９０の濾過物として、酸素、二酸化炭素、および水を含み、一方、残余物としては、窒素を含み得るが、他の構成であってもよい。例えば、濾過物として、窒素を含み得る一方、残余物として、酸素、二酸化炭素、および水を含み得る。なお、膜構造２５８は、酸素、二酸化炭素、水および窒素に加えて、他の濾過物または他の残余物を含み得る構成である。膜構造２５８は、スルホンポリマーまたはフルオロポリマー等、窒素ガスを酸素ガスから分離させる適当な材料または構造から構成され得る。ある種の形態では、膜構造２５８は、ジオキソール共重合テトラフルオロエチレン（ｄｉｏｘｏｌｅ  ｃｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎ）でコーティングされるが、他の構成を採用してもよい。
【００２３】
図２に戻り、第１出口２６６（図３（ａ））は、第５導管３１０により吸気マニホールド１３８と連通している。第２出口２７０（図３（ａ））は、第６導管３１４により吸気マニホールド１３８に連通している。エア冷却装置１２２、または第４導管２４２は、第７導管（第１の導管）３１８により吸気マニホールド１３８に連通接続されている。吸気マニホールド１３８は、シリンダヘッド５４に連通接続されている。シリンダヘッド５４は、第５、第６、および／または第７導管３１０，３１４，３１８から燃焼室７０（図５）内へ吸気マニホールド１３８を介してガスを導入するよう構成されている。後述するように、ガス分配システム１６２を備えた構成において、吸気マニホールド１３８およびシリンダヘッド５４は、窒素富化空気を酸素富化空気から分離した状態に保持する。ガス分配システム１６２を備えていない他の構成において、吸気マニホールド１３８は、当該吸気マニホールド１３８内で酸素富化空気および窒素富化空気が混合するのを許容する。
【００２４】
第１、第２および第３ガス比率制御システム１５０，１５４，１５８は、全体、単体、または何れかの組み合わせで用いられる。第１ガス比率制御システム１５０は、コンプレッサ２２２を作動させる回転力を提供するターボアシスト装置であり得る。ある種の態様では、第１ガス比率制御システム１５０は、電動モータ３５０を備える。電動モータ３５０は、入力部材２３０またはコンプレッサ２２２のインペラに駆動可能に連結され、インペラを回転させ、コンプレッサ２２２に入力された吸気を加圧する。充填装置１１８は、電動モータ３５０がインペラに全ての回転力を供給する電動状態、タービン２２６がインペラに全ての回転力を供給するメカニカルモード、または電動モータ３５０がタービン２２６から受けた回転力を補強するハイブリッドモードにて作動し得る。
【００２５】
電動モータ３５０は、制御装置１３４により制御されて、電動モータ３５０から出力された回転力を選択的に操作または制御する。制御装置１３４は、電動モータ３５０を制御して、コンプレッサ２２２から吐き出される吸気の圧力を調整するよう構成される。従って、コンプレッサ２２２の作動は、内燃機関１２のエンジンスピードまたはタービン２２６の回転速度に拘わらず、ガス分離装置１２６に所望の圧力を供給するように能動的に調整され得る。本例においては、膜構造２５８の分離効率は、ガス分離装置１２６を流通するガスの圧力と関連付けられる。このため、ガス分離装置１２６を流通する空気の圧力を調整可能な電動モータ３５０のスピードを変化させることで、ガス分離装置１２６から吐き出される酸素富化空気に対する窒素富化空気の比率を、ガス分離装置１２６から吐き出される窒素富化空気および酸素富化空気の濃縮率（％）と共に制御することができる。
【００２６】
第２ガス比率制御システム１５４は、ガス貯留装置（第１貯留部）３７０を備える。ガス貯留装置３７０は、一部または全ての酸素リッチ流れの空気２５０（図３（ａ））等のガスを受け、保持し、選択的に吐き出し得る構成とされている。ガス貯留装置３７０は、第１領域２８２（図３（ｂ））、第１出口２６６（図３（ａ））および第５導管３１０に連通接続されている。ガス貯留装置３７０は、容積が変更可能な貯留室３７４を備えている。ある種の態様では、貯留室３７４は、例えば、バルーンや気嚢袋等、拡張または収縮して貯留室３７４の容積を増大または減少可能な弾力性を有する部材によって規定され得る。但し、ダイアフラムやピストン−シリンダ等、容積が可変の他のガス貯留装置を採用してもよい。
【００２７】
ガス貯留装置３７０は、制御装置１３４により制御され、吸気モードで酸素富化空気が貯留装置３７０に取り込まれ、貯留モードで酸素富化空気が貯留装置３７０に保持され、放出モードで酸素富化空気が第５導管３１０へ放出されるのを、それぞれ選択的に許容する。吸気モードでは、酸素富化空気を引き込むように貯留室３７４の容積が増大する。貯留モードでは、酸素富化空気を保持するように貯留室３７４の容積は、略一定に保たれる。放出モードでは、酸素富化空気を吐き出すように貯留室３７４の容積が減少する。制御装置１３４は、車両１０または内燃機関１２の運転状態、またはセンサ１３０により検知された外部条件に基づいて、ガス貯留装置３７０を吸気モード、貯留モード、または放出モード間で切り替える。センサ１３０は、温度センサ、全地球測位（ＧＰＳ）センサ、加速度計、圧力センサ、速度センサ、エンジンスピードセンサ、またはスロットル位置センサ等、各種のセンサであり得る。
【００２８】
例えば、車両１０が、高間始動状態、定常始動状態、高外気温度状態等の高パワーが不要である状態、または高窒素富化空気が必要である状態にあることをセンサ１３０が検知すると、制御装置１３４はガス貯留装置を吸気モードに切り替えて、燃焼室７０（図５）にて必要とされない酸素富化空気を貯留室３７４に充填する。貯留室３７４内の酸素富化空気が所定レベルに達すると、制御装置１３４は、ガス貯留装置３７０を貯留モードに切り替えて、燃焼に必要とされるまで酸素富化空気を貯留室３７４に保持する。ガス貯留装置３７０が、満杯状態の場合または貯留モードの場合、生成された不要な余剰の酸素富化空気は、通気口（図示せず）を介して大気へ放出される。これに代えて、第１領域２８２および第２領域２８６（図３（ａ）および図３（ｂ））間の圧力差によって、酸素富化空気の更なる生成を規制してもよい。冷間始動状態、登板走行時、運転者による加速要求時、または低外気温度状態等、内燃機関１２が追加的な酸素を必要とする場合、制御装置１３４は、ガス貯留装置３７０を放出モードに切り替えて、燃焼室７０（図５）で酸素富化空気が追加的に利用可能とする。
【００２９】
これに代えて、ガス貯留装置３７０が一部または全ての窒素リッチ流れの空気２４６（図３（ａ））を受けて、保持し、選択的に吐き出す構成としてもよい。このような構成では、ガス貯留装置３７０は、第２領域２８６（図３（ｂ））、第２出口２７０（図３（ａ））、および第６導管３１４に連通接続され得る。そして、車両１０が、冷間始動状態、登板走行時、加速要求時、または低外気温度等、高パワーまたは高酸素富化空気が必要な状態にあるのをセンサ１３０が検知した場合に、制御装置１３４は、ガス貯留装置３７０を吸気モードに切り替えて、燃焼室７０（図５）において必要とされない窒素富化空気を貯留装置３７０に充填させる。貯留室３７４内の窒素富化空気の量が所定レベルに到達すると、制御装置１３４は、ガス貯留装置３７０を貯留モードに切り替えて、窒素富化空気を燃焼に必要とされるまで貯留室３７４に保持する。ガス貯留装置３７０が、満杯状態または貯留モードにある場合、生成された必要でない余剰の窒素富化空気は、通気口（図示せず）を介して大気へ放出される。これに代えて、第１領域２８２および第２領域２８６（図３（ａ）および図３（ｂ））間の圧力差によって、窒素富化空気の更なる生成を規制してもよい。高間始動状態、定常状態、または高外気温度状態等、内燃機関１２が追加的な窒素を要請する場合、制御装置１３４は、ガス貯留装置３７０を放出モードに切り替えて、燃焼室７０（図５）で窒素富化空気が追加的に利用可能とする。
【００３０】
他の態様では、ガス貯留装置３７０は、異なる量の窒素富化空気および酸素富化空気を受容して、燃焼室７０で必要となるまで混合気を貯留する。ガス貯留装置３７０に貯留された酸素富化空気に対する窒素富化空気の量または比率は、車両１０または内燃機関１２の運転状態、外部条件、または推定必要条件に基づいて、制御装置１３４で制御され得る。他の異なる態様では、第２ガス貯留装置（第２貯留部，図示せず）を採用し得る。第２ガス貯留装置は、第１ガス貯留装置３７０の上記した構成および運転と同様に構成され得る。そのような構成では、第１ガス貯留装置３７０は、酸素富化空気を選択的に貯留および放出し、一方、第２ガス貯留装置は、窒素富化空気を選択的に貯留および放出し得る。また、第１および第２ガス貯留装置が、酸素富化空気および窒素富化空気の異なる比率の混合気を保持するようにしてもよい。
【００３１】
図２において破線で示された第３ガス比率制御システム１５８は、第１弁（第２の弁）３９０、第２弁（第３の弁）３９４および第３弁（第１の弁）３９８を備えている。第１弁３９０は、第１出口２６６および吸気マニホールド１３８の間で第５導管３１０と直列的に連通接続されている。第２弁３９４は、第２出口２７０および吸気マニホールド１３８の間で第６導管３１４と直列的に連通接続されている。第３弁３９８は、エア冷却装置１２２および吸気マニホールド１３８の間で第７導管３１８に直列的に連通接続されている。第１弁３９０、第２弁３９４および第３弁３９８は、制御装置１３４により制御されて、第５導管３１０、第６導管３１４および第７導管３１８を通る流量を選択的に調整して、燃焼室７０（図５）で利用可能な窒素富化空気に対する酸素富化空気の比率を制御する。分配システム１６２を有さない態様では、第５導管３１０、第６導管３１４、および第７導管３１８からのそれぞれのガスの量は、燃焼室７０（図５）に流入する前に吸気マニホールド１３８内で混合される。破線で示す他の態様では、エア冷却装置１２２Ａをエア冷却装置１２２に代えて、またはエア冷却装置１２２と共に用いることができ、第１弁３９０、第２弁３９４、第３弁３９８と、吸気マニホールド１３８との間において、第５導管３１０、第６導管３１４、および第７導管３１８に直列的に連通接続されている。そのような構成では、エア冷却装置１２２Ａは、第５導管３１０、第６導管３１４、および第７導管３１８からのそれぞれのガスが吸気マニホールド１３８内へ流入する前にエア冷却装置１２２Ａ内で混合されるのを許容する。
【００３２】
図４〜図８を参照して、ガス分配システム１６２は、シリンダヘッド５４、中央または第１吸気弁（第１弁部材）４１０、環状または第２吸気弁（第２弁部材）４１４、および排気弁４１８を備える。第１吸気弁４１０は、第１弁本体４３０および第１弁要素４３４を有する。第１弁本体４３０は、シリンダヘッド５４に一体形成され、または、シリンダヘッド５４に固定的に取り付けられる。第１弁本体４３０は、吸気マニホールド１３８（図２）に連通接続され、吸気マニホールド１３８および燃焼室７０間の連通を許容する。吸気マニホールド１３８（図２）は、第５導管３１０（図２）からの酸素富化空気が、第６導管３１４（図２）の窒素富化空気と混合することなく第１弁本体４３０へ向かうよう構成されている。吸気マニホールド１３８（図２）は、第７導管３１８（図２）からの吸気が、第１弁本体４３０を介して導入される前に酸素富化空気と混合されるよう構成されている。これに代えて、更なるバルブ（図示せず）を設けて、燃焼室７０に吸気を直接導入するようにしてもよい。第１弁本体４３０は、シリンダヘッド５４における燃焼室７０の中央部１７０の頂部またはその付近において、シリンダ６６およびピストン５８と同軸的に設けられる。第１弁本体４３０は、燃焼室７０の上部を形成するシリンダヘッド５４の上壁４５０において略円形をなす開口を備える。
【００３３】
第１弁要素４３４は、第１基部４５４および第１基部４５４の一端に固定された第１ヘッド４５８を備える。第１弁要素４３４は、開放位置（図５）と閉成位置（図６〜図８）との間を第１弁本体４３０に対して移動自在となっている。開放位置においては、酸素リッチ流れ４６２が第１弁本体４３０を流通して燃焼室７０に流入し得るよう、第１ヘッド４５８が第１弁本体４３０に対して離間する。閉成位置においては、第１ヘッド４５８が第１弁本体４３０に着座してシールし、第１弁本体４３０を流体が流通するのを規制する。第１弁要素４３４は、ソレノイド、カム、リフター等、適宜の手段によって、開放位置および閉成位置の間を移動するようになっている。第１弁要素４３４の開放位置および閉成位置間の移動は、制御装置１３４によっても制御され得る。ある種の形態においては、第１ヘッド４５８は、円形、または略球体状に形成されて、酸素リッチ流れ４６２を中央部１７０へ向けて案内すると共に、中央部１７０の外側において、酸素リッチ流れ４６２が乱流によって混合するのを規制する。本例では、第１ヘッド４５８が円形に図示されているものの、後述するように、中央部１７０の外部における酸素リッチ流れ４６２が窒素リッチ流れ４８６と混合するのを阻止または規制し得る構成であれば、第１ヘッド４５８として他の形状を採用することができる。例えば、第１ヘッド４５８は、ポペット弁のように、テーパ状の断面を有する形状であってもよい。なお、具体的に図示しないものの、ガス分配システム１６２は、中央部１７０の内側または周囲に配置されて酸素富化空気を中央部１７０へ案内する複数の第１吸気弁４１０を備えていてもよい。
【００３４】
第２吸気弁４１４は、第２弁本体４７０および第２弁要素４７４を備えている。第２弁本体４７０は、シリンダヘッド５４に一体形成されるか、シリンダヘッド５４に固定されている。第２弁本体４７０は、吸気マニホールド１３８（図２）に連通接続されており、吸気マニホールド１３８および燃焼室７０間の連通を許容する。吸気マニホールド１３８（図２）は、第６導管３１４（図２）からの窒素富化空気を、第５導管３１０（図２）の酸素富化空気と混合させることなく、第２弁本体４７０へ案内するよう構成されている。吸気マニホールド１３８（図２）は、第７導管３１８（図２）からの吸気が、第２弁本体４７０を介して窒素富化空気が導入される前に窒素富化空気と選択的に混合し得るよう構成されている。これに代えて、吸気を直接的に燃焼室７０に導入するための追加的な弁（図示せず）を設けてもよい。第２弁本体４７０は、燃焼室７０の周縁部１７４の略真上またはその付近に設けられ、シリンダ６６およびピストン５８と略同軸的で、第１弁本体４３０の径方向の外側に位置している。第２弁本体４７０は、第１弁本体４３０の径方向に近接するよう設けられ、シリンダヘッド５４の上壁４５０において略環状またはリング状をなす開口を有している。
【００３５】
第２弁要素４７４は、第２基部４７８および第２基部４７８の一端に固定された第２ヘッド４８２を備える。第２弁要素４７４は、開放位置（図５）および閉成位置（図６〜図８）の間を第２弁本体４７０に対して移動可能である。開放位置においては、窒素リッチ流れ４８６が第２弁本体４７０を流通して燃焼室７０内へ流入するよう第２ヘッド４８２が第２弁本体４７０に対して離間する。閉成位置においては、第２ヘッド４８２が第２弁本体４７０に着座してシールし、流体が第２弁本体４７０を流通するのを規制する。第２弁要素４７４は、ソレノイド、カム、リフター等、適宜の手段によって、開放位置および閉成位置の間を移動するようになっている。第２弁要素４７４の開放位置および閉成位置間の移動は、制御装置１３４によっても制御され得る。ある種の形態においては、第２ヘッド４８２は、円形、または略楕円形状に形成されて窒素リッチ流れ４８６を周縁部１７４へ向けて案内すると共に、周縁部１７４の外側において、窒素リッチ流れ４８６が乱流によって混合するのを規制する。従って、酸素リッチ流れ４６２および窒素リッチ流れ４８６は、燃焼室７０内において実質的に隔離された状態に維持される。本例では、第２ヘッド４８２が円形に図示されているものの、後述するように、周縁部１７４の外部における窒素リッチ流れ４８６が酸素リッチ流れ４６２と混合するのを阻止または規制し得る構成であれば、第２ヘッド４８２として他の形状を採用することができる。例えば、第２ヘッド４８２は、ポペット弁のように、テーパ状の断面を有する形状であってもよい。なお、具体的に図示はしていないものの、ガス分配システム１６２は、周縁部１７４の内側または付近に配置されて窒素富化空気を周縁部１７４へ案内する複数の第２吸気弁４１４を備えていてもよい。
【００３６】
排気弁４１８は、排気弁本体５１０および排気弁要素５１４を備えている。排気弁本体５１０は、シリンダヘッド５４に形成され、または、シリンダヘッド５４に固定されている。排気弁本体５１０は、排気マニホールド７４（図２）に連通接続されており、排ガス流れ５１８（図８）が燃焼室７０から排出されて排気マニホールド７４を介して排気管（図２）に流入するのを許容する。排気弁本体５１０は、シリンダヘッド５４において、燃焼室７０の略真上またはその付近に設けられ、シリンダ６６およびピストン５８に略同軸的で、かつ第１弁本体４３０の径方向外側に位置している。排気弁本体５１０は、第１弁本体４３０の径方向に近接するよう設けられ、シリンダヘッド５４の上壁４５０において略環状またはリング状をなす開口を有する。本例においては、排気弁本体５１０は、第２弁本体４７０の径方向外側に近接して設けられているが、排気弁本体５１０を第２弁本体４７０の径方向の内側に設けてもよい。
【００３７】
排気弁要素５１４は、排気基部５２２および排気基部５２２の一端に固定された排気ヘッド５２６を備える。排気弁要素５１４は、排気弁本体５１０に対して、開放位置（図８）および閉成位置（図５〜図７）の間を移動可能である。開放位置においては、排気流れ５１８が排気弁本体５１０を流通して燃焼室７０から排気マニホールド７４（図２）へ排出されるよう排気ヘッド５２６が排気弁本体５１０に対して離間する。閉成位置においては、排気ヘッド５２６が排気弁本体５１０に着座してシールし、流体が排気弁本体５１０を流通するのを規制する。排気弁要素５１４は、ソレノイド、カム、リフター等、適宜の手段によって、開放位置および閉成位置の間を移動するようになっている。排気弁要素５１４の開放位置および閉成位置間の移動は、制御装置１３４によっても制御され得る。本例では、排気ヘッド５２６が円形に図示されているものの、燃焼室７０からの排気流れ５１８の排出に寄与し得る構成であれば、排気ヘッド５２６として他の形状を採用することが可能である。例えば、排気ヘッド５２６は、ポペット弁のように、テーパ状の断面を有する形状であってもよい。なお、具体的に図示はしていないものの、ガス分配システム１６２は、周縁部１７４または中央部１７０の内側または付近に配置されて燃焼室７０からの燃焼ガスの排出を許容する複数の排気弁４１８を備えていてもよい。
【００３８】
図５に示すように、作動時においては、第１および第２吸気弁４１０，４１４は、ピストン５８の吸気行程において開放する。吸気行程では、排気弁４１８が閉成して、ピストン５８がシリンダヘッド５４から軸方向に離間して、燃焼室７０の容積を拡大させて第１および第２吸気弁４１０，４１４を介して空気を燃焼室７０へ引き込む。図６に示すように、ピストン５８の圧縮行程では、第１吸気弁４１０、第２吸気弁４１４、および排気弁４１８は閉成する。圧縮行程においては、ピストン５８がシリンダヘッド５４へ向けて軸方向に移動して燃焼室７０の容積を縮小させ、燃焼室７０内のガスおよび燃料（図示せず）を圧縮する。燃料は、燃料供給装置６２から燃焼室７０へ噴射され、例えば燃料噴射器によって中央部１７０に直接噴射されて酸素富化空気と混合される。燃料供給装置６２は、吸気行程または圧縮行程において燃料を燃焼室７０へ導入する。これに代えて、燃焼室７０へ送られる前に、燃料を酸素リッチ流れ４６２内へ導入されるようにしてもよい。スパークプラグ等の点火装置（図示せず）が空気―燃料混合気を点火して燃焼させる。これに代えて、内燃機関１２が圧縮点火式エンジンである場合には、例えば冷間始動状態の際に使用される予熱プラグ等のように、空気―燃料混合気を加熱する装置を選択的に設けて、圧縮熱が不十分である場合に点火を補助するようにしてもよい。空気―燃料混合気の燃焼は、燃焼室７０の中央部１７０において高熱燃焼ガスを膨張させ、ピストン５８の燃焼行程（図７）をもたらす。燃焼行程においては、ピストン５８がシリンダヘッド５４から離間するように軸方向に移動して、クランクシャフト（図示せず）を回転させる。周縁部１７４の窒素富化空気は、相対的に冷却され、燃焼により生成された熱の一部を吸収するよう作用し、ＮＯｘの排出を減少させつつ、内燃機関１２のシリンダ６６により吸収された熱量を減少させる。このようにして、ガス分配システム１６２は、内燃機関１２の熱効率を向上させると共に、排出量を削減する。ピストン５８の排気行程においては（図８）、排気弁４１８が開放して、ピストン５８がシリンダヘッド５４に向けて軸方向に移動し、燃焼室７０の容積を減少させて排気弁４１８を介して燃焼ガスを燃焼室７０から吐き出す。
【００３９】
図９には、変更例に係るガス分配装置が参照符号「９１０」と共に図示される。上記した同じ符号が付された要素についての説明は、ここに導入されて繰り返しの説明は省略する。ガス分配システム９１０は、第１吸気弁４１０、複数の第２吸気弁（複数の第２弁部材）９１４および複数の排気弁９１８を備える。第２吸気弁９１４および排気弁９１８は、シリンダヘッド５４に設けられ、第１吸気弁４１０に対して周方向に近接して燃焼室７０の周縁部１７４に環状に設けられる。本例においては、第２吸気弁４１４および排気弁９１８は、周方向に交互に設けられ、互いに等しく離間しているが、他の構成を採用してもよい。
【００４０】
第２吸気弁９１４および排気弁９１８は、第１吸気弁４１０と構成的に同様であり、それぞれ第２弁本体９２２および第２弁要素９２６、排気弁本体９３０および排気弁要素９３４を備えている。第２弁本体９２２および排気弁本体９３０は、シリンダヘッド５４に一体形成され、またはシリンダヘッド５４に固定されていてもよい。第２弁本体９２２は、吸気マニホールド１３８（図２）に連通接続され、吸気マニホールド１３８および燃焼室７０の連通を許容する。吸気マニホールド１３８は、第６導管３１４（図２）からの窒素富化空気が、第５導管３１０（図２）の酸素富化空気と混合することなく第２弁本体９２２へ流入するよう構成されている。吸気マニホールド１３８（図２）は、第７導管３１８（図２）からの吸気が、第２弁本体９２２を介して導入される前に、窒素富化空気と選択的に混合するよう構成されている。これに代えて、吸気を燃焼室７０へ直接的に導入する追加的な弁（図示せず）を用いてもよい。第２弁本体９２２および排気弁本体９３０は、シリンダヘッド５４において、燃焼室７０の周縁部１７４の略真上または付近に設けられる。第２弁本体９２２および排気弁本体９３０は、シリンダヘッド５４の上壁４５０において略円形をなす開口を有する。
【００４１】
第２弁要素９２６および排気弁要素９３４は、それぞれ、第２基部９５０および第２ヘッド９５４、排気基部９５８および排気ヘッド９６２を有する。第２ヘッド９５４および排気ヘッド９６２は、それぞれ、第２基部９５０および排気基部９５８の一端に固定されている。第２弁要素９２６および排気弁要素９３４は、開放位置および閉成位置の間を、それぞれ第２弁本体９２２および排気弁本体９３０に対して移動可能となっている。第２弁要素９２６の開放位置においては、窒素リッチ流れ（図示せず）が第２弁本体９２２を流通して燃焼室７０の周縁部１７４へ流入するように、第２ヘッド９５４が第２弁本体９２２から離間する。第２吸気弁９１４の周縁部１７４における配列により、図５〜図８を参照して上記した説明と同様に、燃焼室７０内で酸素富化空気の周りを窒素富化空気が覆うのが許容される。排気弁本体９３０の開放位置においては、燃焼ガス（図示せず）が燃焼室７０から排気弁本体９３０を流通して、排気マニホールド７４に流入するよう、排気ヘッド９６２が排気弁本体９３０から離間する。閉成位置においては、第２ヘッド９５４および排気ヘッド９６２が、それぞれ第２弁本体９２２および排気弁本体９３０に着座してシールし、流体が第２弁本体９２２および排気弁本体９３０を介して流通するのを規制する。第２弁要素９２６および排気弁要素９３４は、ソレノイド、カム、リフター等、適宜の手段によって、開放位置および閉成位置の間を移動するようになっている。第２弁要素９２６および排気弁要素９３４の開放位置および閉成位置間の移動は、制御装置１３４によっても制御され得る。ある種の態様では、第２ヘッド９５４は、円形、または略球体状に形成されて、窒素リッチ流れを周縁部１７４へ向けて案内すると共に、周縁部１７４の外側における窒素リッチ流れが乱流によって混合するのを規制する。作動時において、ガス分配システム９１０は、ピストン５８の吸気、圧縮、燃焼、および排気行程を通して、前述したガス分配システム１６２と同様に作動する。何れのガス分配システム１６２，９１０においても、上記した何れかのガス比率制御システム１５０，１５４，１５８、またはこれらの組み合わせと共に用いることができる。
【００４２】
ガス分配システムの他の態様では、図示は省略するが、何れかのガス分配システム１６２，９１０の第１吸気弁４１０に代えて噴射器（図示せず）を採用し得る。噴射器は、シリンダヘッド５４に設置されて、吸気マニホールド１３８（図２）に連通接続され、第６導管３１４（図２）またはガス貯留装置（第１貯留部）３７０（図２）から酸素富化空気を受ける。噴射器は、酸素富化空気を燃焼室７０の中央部１７０へ噴射するよう構成される。噴射器は、気体状の酸素富化空気を選択的に噴射し得るよう構成された適宜の噴射手段を採用し得る。例えば、噴射器として、内燃機関の燃焼室に圧縮天然ガスを噴射するガス噴射器を共通的に用いてもよい。但し、その他の態様においては、燃料（例えば、軽油、ガソリン、エタノール、または天然ガス）ではなく、酸素（例えば、酸素富化空気）を噴射するための噴射器が用いられる。この態様のガス分配システムは、第１吸気弁４１０に代替される噴射器以外については、ガス分配システム１６２，９１０と同様に構成されて作動する。
【００４３】
以上に述べた実施形態の説明は、図示と説明のために与えられたものである。そこには、発明を限定する意図や、網羅的にする意図はない。それぞれの個別の構成要素、または特定の実施形態の特徴は、その特定の実施形態に限定されない。しかし、具体的に図示または説明されていない限り、適用可能であれば、それらは互いに入れ替え可能であり、特定の選ばれた実施形態において利用可能である。それぞれの個別の構成要素、または特定の実施形態の特徴は、多くの手法に変形可能でもある。それらの変形例は発明からの派生物として考慮されるべきではなく、すべてのそれらの変形例は発明の技術的範囲に属するべきものとして意図されている。
【００４４】
例示された実施形態は、この開示が完全になるように、そして、当業者に技術的範囲を伝えるように提供されている。多数の特定の詳細部分は、この開示の実施形態についての完全な理解を提供するために、特定部品、特定装置、そして特定方法の例のように述べられる。特定の詳細部分が必要ではないこと、例示された実施形態は様々な形式で具体化されうること、そして、いかなるものも開示の技術的範囲を限定するようには解釈されるべきでないことは、当業者に明白である。いくつかの例示された実施形態では、周知のプロセス、周知の装置構造、および周知の技術については、詳細に記述されない。
【００４５】
ここに使用される用語は、特別の例示された実施形態だけを記述するために用いられており、限定的な意図はない。ここに使用されるように、文脈が明白にそうでないことを示していない限り、「１つ」などの冠詞は、複数をも包含するように意図されている。「備える」、「備えること」、「含む」、「有する」といった用語は、包括的であり、したがって、述べられた特徴、作動、および／または部品の存在を規定しており、しかしながら、ひとつまたは複数の他の特徴、他の作動、他の部品、および／またはそれらの集合の存在または追加を妨げない。実行の順序であるとして明確に特定されない限り、ここに説明された方法のステップ、プロセス、そして作動は、議論され、または図示された特定の順序でそれらが実行されることを要求するものとして確定されるべきではない。さらに、追加的な、または代替的なステップが採用可能であることも理解されるべきである。
【００４６】
要素または層が、他の要素または層に対して、「上に」、「連結され」、「接続され」、または「組み合わせられ」と説明される場合、それは、他の要素または層に対して、直接的に上に、直接的に連結され、直接的に接続され、または直接的に組み合わせられているか、または、介在する要素あるいは層が存在してもよい。対照的に、要素または層が、他の要素または層に対して、「直接的に上に」、「直接的に連結され」、「直接的に接続され」、または「直接的に組み合わせられ」と説明される場合、介在する要素あるいは層はなくてもよい。複数の要素の間の関係を説明する他の用語は、類似の手法で解釈されるべきである、例えば、「間に」対「直接的に間に」、「隣接して」対「直接的に隣接して」。ここに使用されるように、用語「および／または」は関連付けて列挙された要素のひとつまたは複数のいかなる組み合わせ、そしてすべての組み合わせを含むものである。
【００４７】
第１、第２、第３といった用語が、様々な要素、部品、領域、層、および／またはセクションを説明するために使用されているが、それらの要素、部品、領域、層、および／またはセクションは、それらの用語によって限定されるべきではない。それらの用語は、１つの要素、部品、領域、層、および／またはセクションと別の、部品、領域、層、および／またはセクションを区別するためだけに使用される場合がある。文脈によって明白に示されない限り、「第１」、「第２」、そして他の数を表す用語はここに用いられた場合、手順（ｓｅｑｕｅｎｃｅ）や順番（ｏｒｄｅｒ）を意味することはない。したがって、例示された実施形態の教示から逸脱することなく、以下において述べられた第１要素、第１部品、第１領域、第１層、または第１セクションは、第２要素、第２部品、第２領域、第２層、または第２セクションと名付けることができる。
【００４８】
「内部の」、「外部の」、「の下に」、「より下に」、「より低い」、「の上に」、「より上に」等の空間的な相対表現は、ある要素または他の要素との特徴的関係性、もしくは図面に示された特徴の説明を容易にするために用いられる。空間的な相対表現は、図面に示された方向性に加え、使用中または作動中の装置の異なる方向性をも包含する意図である。例えば、他の要素または特徴「の下に」または「よりも下に」と記述された要素は、図面中の装置が反転した場合には、他の要素または特徴「の上に」または「よりも上に」との位置付けを有する場合がある。従って、例として、用語「より下に」は、「より上に」および「より下に」の両方の方向性を包含し得る。装置は、他の方向に位置付けられる（９０°またはその他の角度だけ回転）ことがあり、これに応じた解釈で空間的な相対表現も用いられる。
【符号の説明】
【００４９】
１２  内燃機関、
７０  燃焼室、
１１８  エア充填装置、
１２６  分離装置、
１３０  センサ、
１５０  第１比率制御システム（比率制御システム）、
１５４  第２比率制御システム（比率制御システム）、
１５８  第３比率制御システム（比率制御システム）、
１６２  ガス分配システム（エンジン部品）、
１７０  中央部、
１７４  周縁部、
２２２  コンプレッサ、
２４２  第４導管（第２の導管）、
２５４  ハウジング、
２５８  膜構造（膜、分離膜）、
３１８  第７導管（第１の導管）。
【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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