(57)【要約】【課題】  様々な噴射率パターンの噴射を実行可能な新しいタイプのコモンレール式燃料噴射装置を提供する。【解決手段】  本発明の燃料噴射装置は、ニードル１２と、内部の燃料がニードルに噴孔開弁方向の力を加えるノズル室１４と、内部の燃料が上記ニードルに噴孔閉弁方向の力を加える圧力制御室１８と、コモンレール３からノズル室および圧力制御室に燃料を供給する燃料供給通路１５とを有する。圧力制御室内の燃料圧力の変更によりニードルのリフトが制御される。さらに、各燃料噴射弁毎に、ノズル室に通じる燃料供給通路にノズル室へ向かう燃料の流れのみを許可する逆止弁２５が設けられると共に逆止弁とノズル室との間に容積変更アクチュエータ２７によって容積を変更可能な燃料貯留室２６が設けられる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関燃焼室に燃料を噴射する噴孔を開閉するニードルと、内部の燃料が該ニードルに噴孔開弁方向の力を加えるノズル室と、内部の燃料が上記ニードルに噴孔閉弁方向の力を加える圧力制御室と、高圧燃料を供給する燃料蓄圧部から上記ノズル室および圧力制御室に燃料を供給する燃料供給通路とを有する燃料噴射弁を具備し、上記圧力制御室内の燃料圧力を変更することによって上記ニードルのリフトを制御するコモンレール式燃料噴射装置において、
各燃料噴射弁毎に、上記ノズル室および圧力制御室に通じる燃料供給通路のうちノズル室に通じる燃料供給通路に上記ノズル室へ向かう燃料の流れのみを許可する逆止手段を設けると共に該逆止手段とノズル室との間に容積変更アクチュエータによって容積を変更可能な燃料貯留室を設けたコモンレール式燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、
上記燃料貯留室の容積を減少させることのみによって上記ニードルをリフトさせ、機関燃焼室に燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項３】
各サイクルに主噴射と該主噴射よりも先に行われるパイロット噴射との少なくとも二回の噴射を行い、該パイロット噴射は上記燃料貯留室の容積を小さくすることによって行われると共に上記主噴射は上記圧力制御室内の燃料圧力を変更することによって行われる請求項２に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、
上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始前に、上記燃料貯留室の容積を減少させることで上記ニードルがリフトしない程度にノズル室内の燃料圧力を予め高めておくコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項５】
請求項１に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、
上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始時、上昇中または下降中に上記燃料貯留室の容積の変更を行うコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項６】
上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始時に上記燃料貯留室の容積を減少させる請求項５に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項７】
上記噴孔からの燃料噴射率が上昇している時期に上記燃料貯留室の容積を減少させる請求項５に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項８】
上記噴孔からの燃料噴射率が下降する時期に上記燃料貯留室の容積を増大させる請求項５に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項９】
上記容積変更アクチュエータは、膨張することにより上記燃料貯留室の容積を減少させ且つ収縮することにより上記燃料貯留室の容積を増大させる自己の体積可変なアクチュエータであり、上記燃料貯留室の容積を増大させるために上記体積可変アクチュエータを収縮させる前に該体積可変アクチュエータを予め膨張させておく請求項８に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項１０】
上記容積変更アクチュエータは、膨張することにより上記燃料貯留室の容積を減少させ且つ収縮することにより上記燃料貯留室の容積を増大させる自己の体積可変なアクチュエータであり、上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始時または上記噴孔からの燃料噴射率が増加している時期に上記体積可変アクチュエータを膨張させ、その後上記噴孔からの燃料噴射率が減少している時期に上記体積可変アクチュエータを収縮させる請求項５に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項１１】
請求項１に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、
各サイクルに主噴射と該主噴射よりも先に行われるパイロット噴射との少なくとも二回の噴射を行い、上記パイロット噴射によって上記ノズル室内に生じる圧力脈動を打ち消すように上記燃料貯留室の容積を変更するコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【請求項１２】
請求項１に記載のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、
上記ニードルを噴孔閉弁方向に付勢するバネをさらに具備し、燃料噴射を開始する際に、上記圧力制御室内の燃料および上記バネによって上記ニードルに加えられる噴孔閉弁方向の力が上記ノズル室内の燃料によって上記ニードルに加えられる噴孔開弁方向の力よりも大きくなっている程度に上記圧力制御室内の燃料圧力を低下させた状態で、上記燃料貯留室の容積を減少させることにより上記ニードルをリフトさせることで燃料噴射を開始させるようにしたコモンレール式燃料噴射装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コモンレール式燃料噴射装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料の噴射を燃料の加圧・圧送に依存させないことで噴射制御の自由度を高めることを目的として、コモンレールに蓄圧した高圧燃料を機関燃焼室に噴射供給するコモンレール式燃料噴射装置が知られている。このような燃料噴射装置の噴射特性の一つとして、各噴射における燃料噴射率の推移である噴射率パターンが挙げられる。
【０００３】
一般に、機関燃焼室内での燃焼を最適に行うためには、同じ内燃機関であっても機関運転状態（例えば、機関回転数、機関負荷、要求排気温等）によって要求される噴射率パターンは異なる。例えば、機関運転状態が高負荷・高回転状態にあるときには、短期間に多量に燃料を噴射するために高い初期噴射率での噴射が要求され、一方、機関運転状態が低負荷・低回転状態にあるときには、燃焼騒音の低減およびＮＯX発生の抑制のため、低い初期噴射率での噴射が要求される。このような各機関運転状態における要求を満たすためには、噴射率パターンを変更可能な燃料噴射装置が必要とされる。
【０００４】
特許文献１に記載の燃料噴射装置では、圧力制御室内の燃料圧力が低下することによりニードルをリフトさせると共に、圧電素子を用いた制御弁の開度調整により圧力制御室からの流出燃料の流量を制御するようにしている。したがって、制御弁の開度を大きくすると圧力制御室内の燃料圧力の低下が早くなるため、ニードルの上昇速度は速くなり、一方、制御弁の開度を小さくすると圧力制御室内の燃料圧力の低下が遅くなるため、ニードルのリフト速度は遅くなる。このようにニードルのリフト速度を変更することによって噴射率パターンを変更することができる。
【０００５】
特許文献２に記載の燃料噴射装置では、ニードルのリフト量に応じて開弁する噴孔数を変化させるようにしている。ここでは、開弁している噴孔数が少ないときには燃料噴射率は低く、一方開弁している噴孔数が多いときには燃料噴射率は高いものとなる。したがって、ニードルのリフト量を調整することによって噴射率パターンを変更することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−２５６９２５号公報
【特許文献２】特開２００２−３１７７２５号公報
【特許文献３】特開平０５−７１４３８号公報
【特許文献４】特開２０００−１７９４２５号公報
【特許文献５】特開２００１−２４８４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料噴射装置では、燃料噴射率を急速に上昇させるには、すなわちニードルの開弁速度を高めるためには、制御弁開弁時の圧力制御室内からの燃料の流出速度を上げると共に圧力制御室への燃料の流入速度を下げる必要がある。しかし、燃料の流入速度を下げると制御弁閉弁時に圧力制御室内の燃料圧力が上昇しにくくなり、ニードル閉弁速度が低下する。したがって、特許文献１に記載の燃料噴射装置では、ニードルの開弁速度を高めることとニードルの閉弁速度を高めることとはトレードオフの関係にあり、所望の噴射率パターンでの噴射を実行することは困難である。
【０００８】
また、上記特許文献２に記載の燃料噴射装置では、開弁されている噴孔数に応じて燃料噴射率が変わるため、燃料噴射率は段階的にしか変化させることができず、したがって変更可能な噴射率パターンも限られている。
【０００９】
このように、上記特許文献１、２に記載の燃料噴射装置においては上述したような欠点がある。このため、これら欠点がなく且つ様々な噴射率パターンを実行可能な燃料噴射装置の開発が望まれている。そこで、本発明の目的は、様々な噴射率パターンの噴射を実行可能な新しいタイプのコモンレール式燃料噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、第１の発明では、機関燃焼室に燃料を噴射する噴孔を開閉するニードルと、内部の燃料が該ニードルに噴孔開弁方向の力を加えるノズル室と、内部の燃料が上記ニードルに噴孔閉弁方向の力を加える圧力制御室と、高圧燃料を供給する燃料蓄圧部から上記ノズル室および圧力制御室に燃料を供給する燃料供給通路とを有する燃料噴射弁を具備し、上記圧力制御室内の燃料圧力を変更することによって上記ニードルのリフトを制御するコモンレール式燃料噴射装置において、各燃料噴射弁毎に、上記ノズル室および圧力制御室に通じる燃料供給通路のうちノズル室に通じる燃料供給通路に上記ノズル室へ向かう燃料の流れのみを許可する逆止手段を設けると共に該逆止手段とノズル室との間に容積変更アクチュエータによって容積を変更可能な燃料貯留室を設けた。
第１の発明によれば、圧力制御室内の燃料圧力を変更することによってニードルのリフトを制御することに加えて、容積変更アクチュエータによって燃料貯留室の容積を変更することによってもニードルのリフトを制御することが可能となる。したがって、選択可能な噴射率パターンの自由度が高くなる。
なお、本明細書において「リフト」という用語は、ニードルが噴孔を閉弁している状態からニードルが持ち上がった状態にあることまたはその状態になることを意味し、ニードルが閉弁状態にあることに相対する概念である。したがって、ニードルが閉弁状態になければ、ニードルが上昇していても下降していてもリフトしている状態に該当するものとする。
【００１１】
第２の発明では、第１の発明のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、上記燃料貯留室の容積を減少させることのみによって上記ニードルをリフトさせ、機関燃焼室に燃料を噴射する。
圧力制御室内の燃料圧力を変更することによってニードルのリフトを制御する場合、ニードルの上昇速度を上げることとニードルの下降速度を上げることとはトレードオフの関係にある。したがって、或る一定以上にニードルの上昇速度を上げるのは困難である。これに対して、燃料貯留室の容積を減少させることによってニードルをリフトさせる場合、上記トレードオフの関係はない。したがって、上記或る一定以上にまでニードルの上昇速度を上げることが容易であり、燃料噴射開始直後において燃料噴射率の上昇速度の速い燃料噴射を行うことができる。
【００１２】
第３の発明では、第２の発明において、各サイクルに主噴射と該主噴射よりも先に行われるパイロット噴射との少なくとも二回の噴射を行い、該パイロット噴射は上記燃料貯留室の容積を小さくすることによって行われると共に上記主噴射は上記圧力制御室内の燃料圧力を変更することによって行われる。
パイロット噴射を燃料噴射率の上昇速度の速い噴射にすることによりパイロット噴射で噴射された燃料の着火位置を機関燃焼室の周辺領域にすることができる。さらに、主噴射では燃料噴射率の上昇速度が比較的遅い噴射が行われるため、主噴射で噴射された燃料の燃焼を緩慢にすることができる。これにより、燃焼騒音の低減とＮＯX発生の抑制を同時に実現することができる。
【００１３】
第４の発明では、第１の発明のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始前に、上記燃料貯留室の容積を減少させることで上記ニードルがリフトしない程度にノズル室内の燃料圧力を予め高めておく。
第４の発明によれば、ノズル室内の燃料圧力が予め高められているため、圧力制御室内の燃料圧力を低下させ始めると直ぐにニードルがリフトを開始すると共に、ニードルのリフト開始から燃料噴射率の高い噴射が可能である。
【００１４】
第５の発明では、第１の発明のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始時、上昇中または下降中に上記燃料貯留室の容積の変更を行う。
第５の発明によれば、圧力制御室内の燃料圧力の変更を行うことによって実現可能な噴射率パターンに加えて、燃料貯留室の容積変更に伴って実現可能な噴射率パターンでの燃料噴射を実行することができるようになる。
【００１５】
第６の発明では、第５の発明において、上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始時に上記燃料貯留室の容積を減少させる。
第６の発明によれば、リフト開始時におけるノズル室内の燃料圧力が高いものとされる。したがって、ノズル室内の燃料圧力が高いこと、およびそれによりリフト開始直後からニードルの上昇速度が速いことにより、リフト開始、すなわち燃料噴射開始から燃料噴射率の上昇速度は速く、よって燃料噴射開始から燃料噴射率の高い噴射を実現することができる。
【００１６】
第７の発明では、第５の発明において、上記噴孔からの燃料噴射率が上昇している時期に上記燃料貯留室の容積を減少させる。
第７の発明によれば、燃料貯留室の容積を減少することにより燃料噴射率の上昇速度を上げることができるため、燃料噴射率の上昇途中においてそれまでの燃料噴射率の上昇速度をそれまでの上昇速度よりも速くすることができる。
【００１７】
第８の発明では、第５の発明において、上記噴孔からの燃料噴射率が下降する時期に上記燃料貯留室の容積を増大させる。
第８の発明によれば、燃料貯留室の容積を増大させることでニードルの下降速度を速めることができ、よって燃料噴射率の下降速度を速めることができる。
【００１８】
第９の発明では、第８の発明において、上記容積変更アクチュエータは、膨張することにより上記燃料貯留室の容積を減少させ且つ収縮することにより上記燃料貯留室の容積を増大させる自己の体積可変なアクチュエータであり、上記燃料貯留室の容積を増大させるために上記体積可変アクチュエータを収縮させる前に該体積可変アクチュエータを予め膨張させておく。
体積可変アクチュエータとして例えば積層圧電素子や超磁歪素子等を用いた場合、電圧等を印加していない状態からは収縮しにくく、その収縮量も小さい。これに対して、電圧印加時の積層圧電素子等の膨張量は大きい。第９の発明によれば、膨張量に対応する体積分だけ体積可変アクチュエータを収縮させることができるため、収縮量を大きくすることができる。
【００１９】
第１０の発明では、第５の発明において、上記容積変更アクチュエータは、膨張することにより上記燃料貯留室の容積を減少させ且つ収縮することにより上記燃料貯留室の容積を増大させる自己の体積可変なアクチュエータであり、上記圧力制御室内の燃料圧力の変更による上記ニードルのリフト開始時または上記噴孔からの燃料噴射率が増加している時期に上記体積可変アクチュエータを膨張させ、その後上記噴孔からの燃料噴射率が減少している時期に上記体積可変アクチュエータを収縮させる。
第１０の発明によれば、体積可変アクチュエータの膨張時および収縮時にそれぞれ燃料噴射率の上昇速度を上げることおよび燃料噴射率の下降速度を上げることが行われる。したがって、体積可変アクチュエータの膨張、収縮の両作動を有効に利用することができる。
【００２０】
第１１の発明では、第１の発明のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、各サイクルに主噴射と該主噴射よりも先に行われるパイロット噴射との少なくとも二回の噴射を行い、上記パイロット噴射によって上記ノズル室内に生じる圧力脈動を打ち消すように上記燃料貯留室の容積を変更する。
第１１の発明によれば、パイロット噴射によるノズル室内の燃料の圧力脈動の発生が抑制されるため、主噴射を安定させることができる。
【００２１】
第１２の発明では、第１の発明のコモンレール式燃料噴射装置の制御方法であって、上記ニードルを噴孔閉弁方向に付勢するバネをさらに具備し、燃料噴射を開始する際に、上記圧力制御室内の燃料および上記バネによって上記ニードルに加えられる噴孔閉弁方向の力が上記ノズル室内の燃料によって上記ニードルに加えられる噴孔開弁方向の力よりも大きくなっている程度に上記圧力制御室内の燃料圧力を低下させた状態で、上記燃料貯留室の容積を減少させることにより上記ニードルをリフトさせることで燃料噴射を開始させるようにした。
第１２の発明によれば、燃料貯留室の容積を減少させたタイミングで燃料噴射を開始させることができるため、燃料噴射の開始タイミングを正確に調整することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、様々な噴射率パターンの噴射を実行可能であって、従来にない新しい構成のコモンレール式燃料噴射装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明のコモンレール式燃料噴射装置について説明する。まず、図１を参照して本発明の燃料噴射装置の構成について説明する。図１は、本発明の燃料噴射装置の燃料噴射装置の概略図である。
【００２４】
本実施形態の燃料噴射装置は、電子制御ユニット（図示せず、以下「ＥＣＵ」と称す）によって制御される高圧ポンプ１と、この高圧ポンプ１によって燃料タンク２から高圧燃料が供給されるコモンレール（燃料蓄圧部）３と、コモンレール３から高圧燃料が供給され且つ機関燃焼室（図示せず）内に燃料を噴射する燃料噴射弁（以下、「インジェクタ」と称す）４とを備える。また、コモンレール３内の燃料圧力は、リリーフ弁５により比較的高い圧力（例えば、８０ＭＰａ〜１４０ＭＰａ）に保たれる。
【００２５】
インジェクタ４は、図１に示したように、筒状のノズルボディ１１と、このノズルボディ１１と同軸に配置されたニードル１２と、ニードル１２のリフトを制御する制御弁１３とを具備する。ノズルボディ１１は、その内部に中空空間を有し、この中空空間内にニードル１２が収容される。ニードル１２の外周面とノズルボディ１１の内面との間には、インジェクタ４から噴射すべき燃料が流れるノズル室１４が形成される。このノズル室１４は、コモンレール３に通じる燃料供給通路１５と連通していると共にノズルボディ１１の先端部１６に設けられた複数の噴孔１７と連通する。なお、本明細書においては、図１の下側、すなわちノズルボディ１１に噴孔１７が設けられている側を下方、図１の上側、すなわち下方とは反対側を上方として説明する。
【００２６】
ニードル１２はその軸線方向に摺動可能であり、これにより噴孔１７が開閉される。ニードル１２が上方へ移動（上昇）せしめられると噴孔１７とノズル室１４とが通じ、噴孔１７から燃料が噴射せしめられる。一方、ニードル１２が最も下方の位置（リフトしていない状態）にあり、ニードル１２の先端部がノズルボディ１１の先端部１６の内壁面に形成されたシート上に載置されている場合には噴孔１７は閉じられており、噴孔１７からの燃料の噴射が停止せしめられる。
【００２７】
ニードル１２の上端側には、ニードル１２の上端面とノズルボディ１１の内面との間に圧力制御室１８が画成される。この圧力制御室１８内にはニードル１２の上端面とノズルボディ１１との間にバネ１９が配置され、このバネ１９はニードル１２をノズルボディ１１の先端部１６に向かって付勢する。したがって、ニードル１２は、圧力制御室１８内の燃料圧力がノズル室１４内の燃料圧力と同一であるかそれよりも高い場合、すなわち圧力制御室１８内の燃料圧力によりニードル１２が受ける下向き（噴孔閉弁方向）の力（以下、「ニードル閉弁力」と称す）がノズル室１４内の燃料圧力によりニードル１２が受ける上向き（噴孔開弁方向）の力（以下、「ニードル開弁力」と称す）と同一であるかまたはそれよりも大きい場合、バネ１９の付勢力によりニードル１２は噴孔１７を閉じる。
【００２８】
逆に、圧力制御室１８内の燃料圧力によるニードル閉弁力とバネ１９の付勢力との合力が、ノズル室１４内の燃料圧力によるニードル開弁力よりも小さくなると、ニードル１２がリフトし、噴孔１７が開かれ、よって噴孔１７から燃料が噴射せしめられる。
【００２９】
圧力制御室１８は、オリフィス２０を介してコモンレール３に通じる燃料供給通路１５と連通しており、また制御弁１３を介してリターン通路２１と連通している。リターン通路２１は燃料を燃料タンクへ戻す。制御弁１３が閉弁していると圧力制御室１８には燃料供給通路１５およびオリフィス２０を介して燃料が供給されると共に圧力制御室１８から燃料は流出しないため、圧力制御室１８内の燃料圧力はコモンレール３の高い燃料圧力（以下、「レール圧」と称す）とほぼ同一の圧力にまで上昇せしめられる。
【００３０】
一方、制御弁１３が開弁せしめられると圧力制御室１８内の燃料がリターン通路２１へと流出する。圧力制御室１８からリターン通路２１へと流出する燃料の流量は、燃料供給通路１５から圧力制御室１８に流入する燃料の流量はよりも多い。これは、燃料供給通路１５と圧力制御室１８との間にはオリフィス２０が設けられているためである。したがって、圧力制御室１８内の燃料圧力は徐々に低下し、それに伴ってニードル閉弁力も低下し、やがてニードル１２がリフトせしめられる。
【００３１】
なお、制御弁１３はＥＣＵによって制御されるソレノイドアクチュエータ２２によって開閉せしめられる。しかしながら、制御弁１３を開閉するための手段は、ソレノイドアクチュエータでなくてもよく、圧電素子、超磁歪素子等、他のタイプのアクチュエータを用いてもよい。
【００３２】
本発明の燃料噴射装置においては、さらに、ノズル室１４および圧力制御室１８に通じる燃料供給通路１５のうちノズル室１４に通じる燃料供給通路、すなわちノズル室１４に通じる燃料供給通路であって圧力制御室１８に通じるオリフィス２０への分岐点よりも下流側の燃料供給通路に、ノズル室１４へ向かう燃料の流れのみを許可し、それとは逆向きの燃料の流れを遮断する逆止弁（逆止手段）２５が設けられる。また、逆止弁２５とノズル室１４との間の燃料供給通路１５には燃料貯留室２６が設けられる。燃料貯留室２６は、容積変更アクチュエータ２７によってその容積を変更可能である。
【００３３】
容積変更アクチュエータ２７は、自己の体積を変更することによって燃料貯留室２６の容積を変更するアクチュエータであり、自己の体積を膨張させることによって燃料貯留室２６の容積を減少させ、逆に自己の体積を収縮させることによって燃料貯留室２６の容積を増大させる。本実施形態では、容積変更アクチュエータ２７は、印加電圧に応じてその体積が変化する積層圧電素子であり、印加電圧が高いと膨張し、印加電圧を零にすると収縮する。なお、容積変更アクチュエータ２７は積層圧電素子でなくてもよく、超磁歪素子等、自己の体積を変更することができれば如何なるタイプのアクチュエータであってもよい。
【００３４】
次に、上述したように構成された燃料噴射装置の制御方法について説明する。まず、図２および図３を参照して第一実施形態の制御方法について説明する。図２および図３は、第一実施形態の制御方法実行時の各種パラメータの時間変化の様子を示す図であり、図中、Ｖｏｌｔは容積変更アクチュエータ２７への印加電圧、Ｖｓは燃料貯留室２６の容積、Ａｃは制御弁１３の開度、Ｐｎはノズル室１４内の燃料圧力、Ｐｃは圧力制御室１８内の燃料圧力、Ｌｉｆｔはニードル１２のリフト量、Ｒｉはインジェクタ４の燃料噴射率をそれぞれ示す。
【００３５】
第一実施形態の制御方法では、制御弁１３を開閉させず、よって圧力制御室１８内の燃料圧力を変更させることなく、容積変更アクチュエータ２７を作動させることによって燃料噴射を行う。すなわち、燃料貯留室２６の容積を減少させることのみによってニードル１２をリフトさせ、燃料噴射を行う。まず、図２の時期ａよりも前において、圧力制御室１８およびノズル室１４の燃料圧力はコモンレール３のレール圧となっている。このため、圧力制御室１８内の燃料圧力によるニードル閉弁力は、ノズル室１４内の燃料圧力による開弁力よりも大きい。これは、ニードル１２の最先端部（ニードル１２がリフトしていないときにノズルボディ１１と当接する部分よりも下方に位置するニードル１２の先端部の一部）２３にノズル室１４内の燃料圧力が加わっていないためである。さらに、ニードル１２にはニードル閉弁方向にバネ１９の付勢力が加わっている。したがってこのときニードル１２はリフトしていない。
【００３６】
図２の時期ａにおいて、容積変更アクチュエータ２７に電圧が加えられると、容積変更アクチュエータ２７は膨張を開始し、それに伴って燃料貯留室２６の容積Ｖｓが減少せしめられる。燃料貯留室２６とノズル室１４とは連通しており、また燃料貯留室２６およびノズル室１４内の燃料は逆止弁２５を通過できないため、燃料貯留室２６の容積Ｖｓの減少に伴って燃料貯留室２６およびノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎは上昇していく。ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎの上昇によって、図２の時期ｂにおいて遂に、圧力制御室１８内の燃料圧力によるニードル閉弁力とバネ１９の付勢力との合力よりも、ノズル室１４内の燃料圧力によるニードル開弁力の方が大きくなる。これにより、ニードル１２が上昇を開始し、噴孔１７が開弁され、燃料噴射が行われる。
【００３７】
このとき、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎはレール圧以上の高圧となっているため、制御弁１３を開弁して圧力制御室１８内の燃料圧力を低下させることでニードル１２をリフトさせる場合（以下、「従来制御の場合」と称す）に比べて、ニードル１２の上昇速度が速く、よって燃料噴射率Ｒｉの上昇速度は速い。さらに、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎが高圧であるため、噴射される燃料は勢いよく噴孔１７から飛び出し、このことによっても燃料噴射率Ｒｉの上昇速度が速いものとなる。したがって、本実施形態によれば、噴射開始から燃料噴射率Ｒｉの上昇速度が速く、よって燃料噴射率Ｒｉも噴射開始直後から従来制御の場合（図２の破線）よりも高くなっているような噴射率パターンで燃料噴射を行うことができる。
【００３８】
ただし、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎは噴孔１７からの燃料噴射により低下するのに対して、圧力制御室１８内の燃料圧力は一定のままであるか、あるいはニードル１２が僅かに上昇することにより高くなる。したがって、ニードル１２は、燃料噴射開始時に上昇してから僅かな時間経過後に下降し、噴孔１７を閉弁してしまう。したがって、燃料噴射期間は非常に短いものとなる。
【００３９】
したがって、本実施形態の制御方法によれば、従来制御の場合に比べて燃料噴射期間が短く且つ燃料噴射率の高い噴射率パターンの噴射を行うことができる。
【００４０】
なお、逆止弁２５下流のノズル室１４に通じる燃料供給通路、ノズル室１４、容積変更アクチュエータ２７膨張時の燃料貯留室２６から成る空間の容積はできるだけ小さい方が好ましい。収縮している容積変更アクチュエータ２７を膨張させることによって、上記空間内の燃料圧力が大きく変わるようになるためである。
【００４１】
ところで、一般に、機関運転状態が低負荷・低回転状態にあるときには、圧縮上死点付近で行われる主噴射の他にパイロット噴射（主噴射の前に主噴射における燃料噴射量よりも少ない量で行われる燃料噴射）を行うことが有効である。これは、パイロット噴射で噴射される燃料（以下、「パイロット噴射燃料」と称す）が主噴射で噴射される燃料（以下、「主噴射燃料」と称す）の着火源となることで、主噴射燃料が急激に燃焼するのを防止し、燃焼騒音の低減およびＮＯX発生の抑制等の効果を得ることができるためである。
【００４２】
このようなパイロット噴射では、上記効果を高めるには、主噴射燃料が燃焼室全体で燃焼するように、パイロット噴射燃料が燃焼室の周辺領域（シリンダボアに近接した燃焼室内の領域）で着火するのが好ましい。そのためには、パイロット噴射燃料が燃焼室の周辺領域に到達することが必要であり、またパイロット噴射燃料の着火性を高めるためには噴射された燃料がまとまっていることが必要である。
【００４３】
上述したように、燃料貯留室２６の容積を減少させることのみによって燃料を噴射させると、燃料噴射率が高く且つ燃料噴射期間が短い噴射を行うことが可能であるため、パイロット噴射としてこのような噴射を行うことにより、パイロット噴射燃料をまとまったものとすることができると共に燃焼室の周辺領域で着火させることができるようになり、燃焼騒音の低減およびＮＯX発生の抑制効果を高めることができる。
【００４４】
一方、パイロット噴射を行っている場合の主噴射は、噴射開始からの燃料噴射率の上昇速度が遅い方が好ましい。これは、噴射開始から高い燃料噴射率で噴射を行うと、燃料が一気に燃焼し、燃焼騒音が大きくなってしまうからである。制御弁１３を開弁することのみによって燃料を噴射する場合、燃料噴射率の上昇速度は比較的遅いため、本実施形態では、制御弁１３を開弁することによって主噴射を行うようにしている。
【００４５】
この様子を図３に示す。図３においては、時期ａおよび時期ｂで、図２に示したように、容積変更アクチュエータ２７への電圧印加およびニードル１２のリフト開始がそれぞれ行われ、パイロット噴射が行われる。その後、時期ｃにおいて、制御弁１３が開弁され、制御弁１３の開度Ａｃが大きくなる。これに伴って、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが低下し、時期ｄにおいて圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃ低下によりニードル１２のリフトが開始される。その後、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが低く維持されることにより、ニードル１２のリフト量Ｌｉｆｔが徐々に増大する。そしてこのニードル１２のリフト量Ｌｉｆｔに応じて燃料噴射率Ｒｉが変化し、主噴射が行われる。
【００４６】
次に、図４を参照して本発明の第二実施形態の制御方法について説明する。第二実施形態の制御方法では、制御弁１３の開弁および容積変更アクチュエータ２７の作動を同期させて燃料噴射を行う。
【００４７】
本制御方法では、図４に示したように、まず、時期ｅにおいて、ＥＣＵから開弁信号が制御弁１３に送信されて制御弁１３が開弁し、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが徐々に低下する。ここで、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎがレール圧となっているときに圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃとノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎとの差圧（以下、「ニードル上下差圧」と称す）がニードル１２がリフトを開始するような大きさとなるような圧力制御室１８内の燃料圧力を臨界圧Ｐｃｒとすると、本実施形態では、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが臨界圧Ｐｃｒに達する前（時期ｆ）に、容積変更アクチュエータ２７に電圧が印加され、容積変更アクチュエータ２７が膨張せしめられる。これに伴って燃料貯留室２６の容積Ｖｓが減少し、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎが高まる。よって、ニードル上下差圧が大きくなり、ニードル１２がリフトを開始する。このとき、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎは非常に高くなっているため、ニードル１２の上昇速度は速く、また、噴孔１７からの燃料噴射圧も高いものとなる。このため、ニードル１２のリフト開始時において燃料噴射率Ｒｉの上昇速度が速いものとなる。
【００４８】
このように、第二実施形態の制御方法によれば、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃを低下させることによりニードル１２のリフトを開始させるのと同時に燃料貯留室２６の容積Ｖｓを減少させることにより、燃料噴射開始直後の燃料噴射率Ｒｉの上昇速度を上げることができ、よって燃料噴射開始から高い燃料噴射率となる噴射率パターンで噴射を行うことができる。なお、図４中の破線は従来制御の場合の噴射率パターンを示しており、本実施形態の制御方法では従来制御の場合に比べて燃料噴射開始から高い燃料噴射率で噴射が行われることがわかる。
【００４９】
ところで、一般に、機関運転状態が高負荷・高回転状態にあるときには、高い出力を得るために短時間に多量に燃料を噴射することが好ましい。本実施形態によれば、燃料噴射開始から高い燃料噴射率で噴射が行われるため、従来制御の場合に比べて同じ時間内に多量の燃料を噴射することができるため、機関運転状態が高負荷・高回転状態にある場合には特に本実施形態の制御方法を実行するのが好ましい。
【００５０】
なお、本実施形態の制御方法には他にも効果がある。一般に、従来制御の場合、圧力制御室内の燃料圧力を臨界圧にまで低下させることによってニードルがリフトせしめられるが、制御弁を開弁してから圧力制御室内の燃料圧力が臨界圧に低下するまでの時間は一定ではなく、燃料温度やレール圧等によって左右される。このため、従来制御の場合、ニードルのリフト開始時期、すなわち噴射開始時期を正確に制御することはできない。
【００５１】
これに対して、本実施形態によれば、制御弁１３を開弁してから圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが低下しながらも、まだ臨界圧Ｐｃｒには達していないときに容積変更アクチュエータ２７を膨張させることにより燃料噴射が開始される。したがって、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃを低下させて、噴射開始すべきときに容積変更アクチュエータ２７を膨張させれば、容積変更アクチュエータ２７を膨張させたタイミング、すなわち容積変更アクチュエータ２７に電圧を印加したタイミングで燃料噴射を開始させることができる。したがって、本実施形態によれば、噴射開始時期を正確に制御することができる。
【００５２】
なお、上記実施形態では、制御弁１３を開弁してから或る程度の時間が経過すると容積変更アクチュエータ２７を膨張させなくても圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃは臨界圧Ｐｃｒよりも低下するが、制御弁１３を開弁しても圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが臨界圧Ｐｃｒにまでは低下しないようしてもよい。すなわち、制御弁１３を開弁しても圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが臨界圧Ｐｃｒよりも僅かに高い圧力にまでしか低下しないようにオリフィス２０や制御弁１３の開口面積等を設定する。したがって、この場合、容積変更アクチュエータ２７を膨張させない限り燃料が噴射されない。
【００５３】
上記第二実施形態では、制御弁１３を開弁すると圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃは最終的には臨界圧Ｐｃｒに達するが、その臨界圧Ｐｃｒに達する前に容積変更アクチュエータ２７を膨張させなければ噴射開始時期を正確に制御することができない。したがって、制御弁１３の開弁時期が同一である場合、噴射開始時期の調整可能な期間は圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃがある程度低下してから臨界圧Ｐｃｒに達する間での期間のみとなり比較的短い。よって、目標噴射開始時期が大きく変わっても噴射開始時期を正確に制御するためには、それに合わせて制御弁１３の開弁時期も調整しなければならない。これに対して、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが臨界圧Ｐｃｒにまでは低下しないようにした場合、比較的早期から制御弁１３を開弁しておけば噴射開始時期の調整可能な期間は長く、制御弁１３の開弁時期を調整する必要もない。
【００５４】
この場合、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが臨界圧Ｐｃｒよりも高いとニードル１２はリフトを開始しても上昇していかないようにもみえるが、実際には一旦ニードル１２のリフトが開始されれば、それまで燃料圧力の加わっていなかったニードル１２の最先端部２３にも燃料圧力が加わるため、ニードル開弁力がニードル閉弁力よりも大きくなり、よってニードル１２はリフトを開始すると上昇していく。
【００５５】
なお、上記第二実施形態の変更例として、制御弁１３を開弁させる前に、容積変更アクチュエータ２７を膨張させて燃料貯留室２６の容積を減少させて、ニードル１２がリフトしない程度にノズル室１４内の燃料圧力を予め高めておくようにしてもよい。これにより、制御弁１３を開弁して圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが低下し始めると直ぐにニードル１２がリフトを開始するため、制御弁１３開弁直後から燃料噴射が可能である。また、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎが高いため、ニードル１２のリフト開始から燃料噴射率の高い噴射が可能である。
【００５６】
次に、図５を参照して本発明の第三実施形態の制御方法について説明する。第三実施形態の制御方法では、制御弁１３の開弁によってニードル１２が上昇している途中に容積変更アクチュエータ２７を作動させて燃料噴射を行う。
【００５７】
本制御方法では、図５に示したように、まず、時期ｇにおいて、ＥＣＵから開弁信号が制御弁１３に送信されて制御弁１３が開弁し、制御弁１３の開度Ａｃが増大する。これに伴い、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが徐々に低下せしめられる。そして時期ｈにおいて、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが上記臨界圧Ｐｃｒに達し、ニードル１２がリフトを開始する。そして、ニードル１２がリフトを開始してから所定時間Δｔが経過した時期ｉにおいて、容積変更アクチュエータ２７に電圧が印加され、容積変更アクチュエータ２７が膨張せしめられ、燃料貯留室２６の容積Ｖｓが減少せしめられる。これに伴って、ノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎが上昇するためニードル上下差圧が大きくなり、ニードル１２の上昇速度が速くなる。このため、容積変更アクチュエータ２７の膨張により、燃料噴射率Ｒｉの上昇速度が速くなり、その後の燃料噴射率Ｒｉが高いものとなる。すなわち、本実施形態では、燃料噴射の途中に燃料噴射率の上昇速度が速くなるような噴射率パターンの噴射が行われる。
【００５８】
ところで、一般に機関運転状態が高負荷・高回転状態と低負荷・低回転状態との間の状態（以下、「中負荷・中回転状態」と称す）にある場合、燃料噴射開始直後から高い燃料噴射率で燃料を噴射すると、着火遅れにより燃料に着火するころには燃焼室内に多量の燃料が噴射されている。このため、燃焼が一気に広がり、燃焼騒音が大きくなり、また燃焼温度が高くなるためＮＯX発生量も増大する。したがって、機関運転状態が中負荷・中回転状態にあるときには、噴射開始から着火遅れに相当する時間だけ経過してから燃料噴射率を高くするのが好ましい。
【００５９】
ここで、第三実施形態の制御方法では、燃料噴射開始から所定時間Δｔは燃料噴射率の上昇速度は遅く、所定時間Δｔ経過後から高い燃料噴射率で噴射が行われる。したがって、この所定時間Δｔを着火遅れに相当する時間に設定することにより、機関運転状態が中負荷・中回転状態にあるときにとって最適な燃料噴射が行われ、燃焼騒音の低減およびＮＯX発生の抑制を図ることができる。
【００６０】
次に、図６を参照して本発明の第四実施形態の制御方法について説明する。第四実施形態の制御方法では、ニードル１２を閉じる際にノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎを低下させることによりニードル１２の閉弁方向の移動速度を速めるようにしている。
【００６１】
本制御方法では、図６に示したように、まず、時期ｊにおいて、ＥＣＵから開弁信号が制御弁１３に送信されて制御弁１３が開弁し、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが低下せしめられる。このとき、容積変更アクチュエータ２７には電圧が印加されており、既に膨張した状態となっていて燃料貯留室２６の容積Ｖｓは小さいものとなっている。そして、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが臨界圧Ｐｃｒにまで低下せしめられると、時期ｋにおいてニードル１２がリフトを開始し、燃料噴射が開始せしめられる。
【００６２】
その後、燃料噴射を終了すべきときには、制御弁１３が閉弁せしめられると共に容積変更アクチュエータ２７が収縮せしめられる（時期ｌ）。制御弁１３が閉弁せしめられると圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが上昇し、ニードル閉弁力が大きくなる。また、容積アクチュエータ２７が収縮せしめられることにより、燃料貯留室２６の容積Ｖｓが増大せしめられる。この燃料貯留室２６の容積増大速度は速く、逆止弁２５を通過した燃料が燃料貯留室２６に流入するにも関わらず、燃料貯留室２６およびノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎは低下せしめられる。
【００６３】
すなわち、本実施形態ではニードル１２が閉弁する際には、圧力制御室１８内の燃料圧力Ｐｃが急速に上昇するのに加えてノズル室１４内の燃料圧力Ｐｎが低下するため、ニードル閉弁力がニードル開弁力よりも非常に大きいものとなる。このため、ニードル１２は急速に閉弁せしめられることとなり、燃料噴射率Ｒｉの低下速度が速められる。
【００６４】
一般に、燃料噴射終了時には、燃料噴射率が低い状態となっている期間が短い方が好ましい。すなわち、燃料噴射開始時には着火遅れの問題等の特段の事情があるため場合によっては燃料噴射率が低い状態にあることが必要なこともあるが、燃料噴射終了時にはそのような特段の事情はなく、また燃料噴射終了直前に低い燃料噴射率で噴射された燃料は燃焼に寄与しにくくなるため、燃料噴射終了時には制御弁１３を閉弁してから迅速に噴射が終了されるのが好ましい。本実施形態の制御方法では、ニードル１２は急速に閉弁せしめられるようになるため、燃焼に寄与しにくい燃料を噴射することはなく燃焼効率を高めることができる。
【００６５】
なお、上記第四実施形態では、制御弁１３の閉弁と容積変更アクチュエータ２７の収縮とを同時に開始しているが、これらを同時に行わなくてもよい。例えば、制御弁１３を閉弁して、ニードル１２の閉弁途中に容積変更アクチュエータ２７を収縮させて、ニードルの閉弁途中からニードル閉弁速度を高めるようにしてもよい。
【００６６】
また、本実施形態では容積変更アクチュエータ２７として積層圧電素子を用いている。積層圧電素子は対象物を引っ張る際には積層状態の各圧電素子が剥がれてしまうことが多い。本実施形態では、積層圧電素子は収縮により燃料貯留室２６内に燃料を引っ張り込んでいるようにも見えるが、実際には燃料は比較的高い圧力となっているため積層圧電素子を押圧しており、よって積層圧電素子が剥がれてしまうことはない。
【００６７】
次に、図７を参照して本発明の第五実施形態の制御方法について説明する。本制御方法では、上述した第一実施形態から第四実施形態の制御方法を組み合わせて用いる。
【００６８】
すなわち、機関運転状態が低負荷・低回転状態にあるときには、第一実施形態に示したように容積変更アクチュエータ２７を膨張させることによりパイロット噴射を行い、その後主噴射の燃料噴射終了時に、第四実施形態に示したように容積変更アクチュエータ２７を収縮させることにより迅速に燃料噴射を終了させる（図７（ａ））。機関運転状態が中負荷・中回転状態にあるときには、第三実施形態に示したように圧力制御室１８内の燃料圧力を低下させることによってニードル１２が上昇している途中に、容積変更アクチュエータ２７を膨張させて、燃料噴射率の上昇途中から燃料噴射率の上昇速度を上げる。その後、燃料噴射終了時に、第四実施形態に示したように容積変更アクチュエータ２７を収縮させることにより迅速に燃料噴射を終了させる（図７（ｂ））。機関運転状態が高負荷・高回転状態にあるときには、第二実施形態に示したように圧力制御室１８内の燃料圧力を低下させることによるニードル１２のリフト開始と同時に、容積変更アクチュエータ２７を膨張させて燃料噴射開始から高い燃料噴射率で燃料噴射を行う。その後、燃料噴射終了時に、第四実施形態に示したように容積変更アクチュエータ２７を収縮させることにより迅速に燃料噴射を終了させる（図７（ｃ））。このような制御方法を実行することにより、全ての運転状態において、最適な燃料噴射率パターンで燃料が噴射されるようになる。
【００６９】
次に、本発明の第六実施形態の制御方法について説明する。一般に、インジェクタ４から燃料を噴射すると、燃料噴射終了後にノズル室１４等内の燃料には圧力脈動が生じる。このような圧力脈動が次回の燃料噴射が行われるまで続いていると、燃料噴射中にノズル室１４内の燃料圧力が上下を繰り返すことになり、不安定な燃料噴射が行われてしまう。
【００７０】
そこで、本発明の第六実施形態では、燃料噴射によってノズル室１４内に生じる圧力脈動を打ち消すように燃料貯留室２６の容積を変更するようにしている。すなわち、圧力脈動によりノズル室１４内の燃料圧力が高くなったときには容積変更アクチュエータ２７を収縮させて燃料貯留室２６の容積を増大させることで燃料圧力の上昇分を吸収し、逆に圧力脈動によりノズル室１４内の燃料圧力が低くなったときには容積変更アクチュエータ２７を膨張させて燃料貯留室２６の容積を減少させることで燃料圧力の低下分を吸収するようにしている。これにより、燃料噴射終了後にノズル室１４等内の燃料に生じる圧力脈動が抑制され、不安定な燃料噴射が防止される。
【００７１】
特に、主噴射の前にパイロット噴射を行う場合、パイロット噴射と主噴射の噴射時期は近いため、パイロット噴射によって生じる圧力脈動は主噴射に大きく影響を及ぼす。したがって、パイロット噴射によって生じる圧力脈動を打ち消すように燃料貯留室２６の容積を変更することは非常に有効である。
【００７２】
なお、燃料噴射後にノズル室１４等内の燃料に生じる圧力脈動は、ノズル室１４、燃料供給通路１５並びに燃料貯留室２６の形状並びに容積、および噴孔開弁時間並びにレール圧等の機関運転状態から予測可能である。したがって、機関運転状態に応じて容積変更アクチュエータ２７を作動させて、燃料噴射後にノズル室１４等内の燃料に生じる圧力脈動を打ち消すようにしている。より具体的には、例えば、レール圧やニードル開弁時間等の運転パラメータに応じたノズル室１４等内の燃料に生じる圧力脈動を予め計算または実験によって求め、圧力脈動を打ち消すような容積変更アクチュエータ２７の作動を上記パラメータに応じたマップとして予めＥＣＵに保存する。そしてこのマップに応じて容積変更アクチュエータ２７を作動させる。
【００７３】
あるいは、ノズル室１４、燃料供給通路１５および燃料貯留室２６内の燃料圧力を実際に圧力センサ等により検出し、その検出値に基づいて容積変更アクチュエータ２７を作動させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の燃料噴射装置の燃料噴射装置の概略図である。
【図２】第一実施形態の制御方法実行時の各種パラメータの時間変化の様子を示す図である。
【図３】第一実施形態の制御方法実行時の各種パラメータの時間変化の様子を示す図である。
【図４】第二実施形態の制御方法実行時の各種パラメータの時間変化の様子を示す図である。
【図５】第三実施形態の制御方法実行時の各種パラメータの時間変化の様子を示す図である。
【図６】第四実施形態の制御方法実行時の各種パラメータの時間変化の様子を示す図である。
【図７】第五実施形態の制御方法実行時の燃料噴射率の推移を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
３…コモンレール（燃料蓄圧部）
４…インジェクタ（燃料噴射弁）
１１…ノズルボディ
１２…ニードル
１３…制御弁
１４…ノズル室
１５…燃料供給通路
１７…噴孔
１８…制御室
１９…バネ
２０…オリフィス
２１…リターン通路
２５…逆止弁
２６…燃料貯留室
２７…容積変更アクチュエータ
【図１】
2005320870.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005320870.tif 000007
【図６】
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【図７】
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