(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃焼室内に直接噴射する混合気噴射弁と、燃焼室に臨んで配設される火花点火栓と、を備え、
前記混合気噴射弁による高温混合気の噴射と前記火花点火栓による火炎伝播には至らない燃料活性化のための火花点火との両方を吸気行程中に実行することを特徴とする自己着火式エンジン。
【請求項２】
前記混合気噴射弁と前記火花点火栓とを互いに隣接して配置すると共に、前記混合気噴射弁による高温混合気の噴射期間中に前記火花点火栓による前記火花点火を実行することを特徴とする請求項１記載の自己着火式エンジン。
【請求項３】
前記混合気噴射弁による吸気行程中の噴射の他に、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少なくとも１回の追加の噴射を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の自己着火式エンジン。
【請求項４】
全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン負荷が大きい程小さくすることを特徴とする請求項３記載の自己着火式エンジン。
【請求項５】
全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン回転速度が大きい程大きくすることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の自己着火式エンジン。
【請求項６】
前記火花点火の時期は、エンジン負荷が大きい程遅角することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。
【請求項７】
前記火花点火の時期は、エンジン回転速度が大きい程進角することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。
【請求項８】
ノッキング検出手段を備え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した場合に、前記吸気行程中の噴射量の割合を減少させることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。
【請求項９】
ノッキング検出手段を備え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した場合に、前記火花点火の時期を遅角させることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。
【請求項１０】
燃焼安定度検出手段を備え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出した場合に、前記吸気行程中の噴射量の割合を増加させることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。
【請求項１１】
燃焼安定度検出手段を備え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出した場合に、前記火花点火の時期を進角させることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載の自己着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己着火式エンジン、例えば自動車用の４サイクル型の直噴火花点火圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、圧縮自己着火燃焼のために、火炎伝播には至らない火花点火により燃料の一部を活性化（改質）することで、燃料の着火性を改善し、所望の燃焼時期を得る技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮自己着火による燃焼は、燃焼室の多点で燃焼が開始されるため、通常の火花点火におけるリーン限界よりもリーン側の空燃比で燃焼を行うことができる利点を有する一方、着火時期を決定する燃料の予反応の進行度合いが圧縮行程中の温度・圧力の変化履歴で決まるため、適切な着火時期が得られる運転条件が限られるという問題がある。
【０００３】
例えば、比較的負荷の高い運転条件のときに圧縮上死点前後で自己着火するように設定したエンジンの場合、負荷が低いときは圧縮上死点までに自己着火が得られず、圧縮上死点後は燃焼室内の温度・圧力が低下するので、結果的に燃焼の機会を失って失火することになる。
このような失火の発生を回避する方法としては、燃焼室内に供給した燃料を予め活性化しておき、圧縮行程中の予反応の進行を速めて自己着火の準備が整うまでの時間を短縮することが考えられる。
【０００４】
例えば、特開２００１−３７７１号公報には、排気弁を早期に閉じることによって前サイクルの既燃焼ガスを燃焼室内に残留させ、このガスの熱と補助的に行う火花点火とによって燃焼室内にラジカルを生成するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
燃料を改質してアルデヒド等の活性種を生成しようとする場合、ある程度高温の混合気中で火花点火を行うことが有効である。
上記の従来技術では、この高温を得るために前サイクルの既燃焼ガスを利用するようにしているが、この場合、冷却損失の増加による燃費の悪化が懸念される。すなわち、排気弁を早期に閉じると、ピストンが上死点まで上昇する間に圧縮仕事が発生する。この仕事は、ピストンが上死点から下降するときにトルクとして回収されるが、高温の既燃焼ガスから燃焼室壁を介して冷却水へ伝達されてしまった熱のエネルギーまで回収することはできない。燃料改質効果を高めようとして次サイクルへ残留させる既燃焼ガス量を増やすと、上記の冷却損失も大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、燃料活性化のために必要な高温場をできるだけ少量の空気で実現し、燃料活性化に伴う損失の発生を低減できる自己着火式エンジンを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１の発明では、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃焼室内に直接噴射する混合気噴射弁と、燃焼室に臨んで配設される火花点火栓と、を備え、前記混合気噴射弁による高温混合気の噴射と前記火花点火栓による火炎伝播には至らない燃料活性化のための火花点火との両方を吸気行程中に実行することを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、前記混合気噴射弁と前記火花点火栓とを互いに隣接して配置すると共に、前記混合気噴射弁による高温混合気の噴射期間中に前記火花点火栓による前記火花点火を実行することを特徴とする。
請求項３の発明では、前記混合気噴射弁による吸気行程中の噴射の他に、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少なくとも１回の追加の噴射を行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項４の発明では、全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン負荷が大きい程小さくすることを特徴とする。
請求項５の発明では、全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン回転速度が大きい程大きくすることを特徴とする。
請求項６の発明では、前記火花点火の時期は、エンジン負荷が大きい程遅角することを特徴とする。
【００１０】
請求項７の発明では、前記火花点火の時期は、エンジン回転速度が大きい程進角することを特徴とする。
請求項８の発明では、ノッキング検出手段を備え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した場合に、前記吸気行程中の噴射量の割合を減少させることを特徴とする。
【００１１】
請求項９の発明では、ノッキング検出手段を備え、該ノッキング検出手段がノッキングを検出した場合に、前記火花点火の時期を遅角させることを特徴とする。
請求項１０の発明では、燃焼安定度検出手段を備え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出した場合に、前記吸気行程中の噴射量の割合を増加させることを特徴とする。
【００１２】
請求項１１の発明では、燃焼安定度検出手段を備え、該燃焼安定度検出手段が燃焼不安定を検出した場合に、前記火花点火の時期を進角させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、吸気行程中に、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃焼室内に噴射すると共に、この高温混合気に対し補助的な火花点火を行うことで、燃料を活性化し、活性化された燃料を筒内に十分拡散させることによって、その後のピストンの圧縮作用による自己着火燃焼時の着火性を大幅に改善できる一方、混合気噴射弁内で混合気を形成するのに必要な空気だけを高温とすればよいので、燃料活性化に伴う損失の発生を低減できるという効果が得られる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、混合気噴射弁と火花点火栓とを互いに隣接して配置し、混合気噴射弁による高温混合気の噴射期間中に火花点火栓による火花点火を行うことで、高温混合気の温度が低下する前に良好な燃料改質を行うことができる。すなわち、燃焼室内に噴射された高温混合気は、燃焼室内に広く拡散していく過程で徐々に温度が低下することになるので、燃料改質のための火花点火は高温混合気の噴射と同時に行うのがよいのである。また、早期に活性種を生成することで、活性種を燃焼室内に広く拡散させることができる。
【００１５】
尚、混合気噴射弁の場合はその内部で燃料の気化及び空気との混合が進んでいるため、噴射された混合気は既に十分均質な混合気となっている。このため、噴射された混合気に直接火花点火を行っても、ここで生じる燃料の酸化反応はほとんど部分酸化反応（改質反応）までとなる。これに対し、高温の燃焼室内へ液体燃料を噴射した場合、噴射直後の燃料噴霧内には燃料の疎密が存在しており、燃料密度が局所的に高くなっている部分（例えば燃料液滴の周囲）では酸化反応が改質反応に止まらず完全酸化（燃焼）にまで至ってしまう恐れがある。
【００１６】
請求項３の発明によれば、混合気噴射弁による吸気行程中の噴射の他に、エンジン負荷に応じて圧縮行程中に少なくとも１回の追加の噴射を行うことで、自己着火燃焼の運転領域を高負荷まで広げることができる。
請求項４の発明によれば、全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン負荷が大きい程小さくすることで、ノッキングしやすい高負荷時は、吸気行程中に噴射し補助点火を行うことで活性化させる燃料の割合を少なくし、自己着火を比較的起こしにくくして、ノッキングを回避することができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、全噴射量に対する吸気行程中の噴射量の割合を、エンジン回転速度が大きい程大きくすることで、自己着火しにくい高回転時は、吸気行程中に噴射し補助点火を行うことで活性化させる燃料の割合を多くし、自己着火し易くして、安定した自己着火を行うことができる。
請求項６の発明によれば、火花点火の時期は、エンジン負荷が大きい程遅角することで、ノッキングしやすい高負荷時は、燃料の活性化の時間を短くすることにより活性化燃料の割合を少なくし、自己着火を比較的起こしにくくして、ノッキングを回避することができる。
【００１８】
請求項７の発明によれば、火花点火の時期は、エンジン回転速度が大きい程進角することで、自己着火しにくい高回転時は、燃料活性化の時間を長くすることにより活性化燃料の割合を多くし、自己着火し易くして、安定した自己着火を行うことができる。
請求項８の発明によれば、ノッキングを検出した場合に、吸気行程中の噴射量の割合を減少させることで、次サイクルから比較的自己着火しにくくなり、ノッキングを回避できる。
【００１９】
請求項９の発明によれば、ノッキングを検出した場合に、火花点火の時期を遅角させることで、次サイクルから比較的自己着火しにくくなり、ノッキングを回避できる。
請求項１０の発明によれば、燃焼不安定を検出した場合に、吸気行程中の噴射量の割合を増加させることで、次サイクルから自己着火し易くなり、燃焼不安定を回避できる。
【００２０】
請求項１１の発明によれば、燃焼不安定を検出した場合に、火花点火の時期を進角させることで、次サイクルから自己着火し易くなり、燃焼不安定を回避できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す直噴火花点火圧縮自己着火式ガソリンエンジンのシステム図である。
シリンダ１、シリンダヘッド２及びピストン３により画成される燃焼室４には、図示しないスロットル弁の制御を受けた空気が、吸気通路を構成する吸気マニフォルド５及び吸気ポート６より、吸気弁７の開時に吸入される。
【００２２】
シリンダヘッド２には、その中央部付近に、高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を燃焼室４内に直接噴射することのできる混合気噴射弁８が取付けられると共に、この混合気噴射弁８に隣接して燃焼室４に臨む火花点火栓９が取付けられている。
ここで、混合気噴射弁８に対しては、吸気通路のスロットル弁上流側からエアポンプ１０により加圧して導いた空気をヒータ１１により電気加熱して得た高温の空気を供給する空気配管１２が接続されると共に、図示しない燃料タンクから燃料ポンプ１３により加圧して導いた燃料を供給する燃料配管１４が接続されている。
【００２３】
混合気噴射弁８は、図２に概略構造図を示すように、前記空気配管１２が接続される混合気噴射弁本体８ａと、これに対し斜めに取付けられて前記燃料配管１４が接続される燃料噴射弁８ｂとを備え、前記本体８ａの混合室８ｃに高温の空気を導入すると共に、燃料噴射弁８ｂより燃料を噴射して、混合室８ｃ内で高温の空気と燃料とを混合し、同時に燃料を気化させる。このようにして得た高温混合気はノズル部８ｄより燃焼室内に噴射供給する。
【００２４】
図１に戻って、燃焼後の排気は、排気弁１５の開時に、排気通路を構成する排気ポート１６及び排気マニフォルド１７より排出される。また、排気マニフォルド１７より排気の一部を吸気マニフォルド５に還流するＥＧＲ通路１８が設けられ、このＥＧＲ通路１８にはＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を調整可能なＥＧＲ制御弁１９が介装されている。
【００２５】
エンジン制御用の電子制御装置（エンジンコントロールユニット；以下ＥＣＵという）２０は、マイクロコンピュータを内蔵しており、これには、クランク角センサ３１からのクランク角信号（これによりエンジン回転速度Ｎを検出可能）、アクセル開度センサ３２からのアクセル開度信号（これによりエンジン負荷Ｔを検出可能）、排気温度センサ３３からの排気温度信号、ノッキングセンサ３４からのノッキング検出信号などが入力されている。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、これらの入力信号に基づいて、混合気噴射弁８、火花点火栓９、ＥＧＲ制御弁１９の作動を制御する。
特に、このエンジンでは、運転条件に応じた燃焼制御を行うため、ＥＣＵ２０は、運転条件に応じて火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とのいずれの燃焼形態で運転を行うかを判断する燃焼形態判断部２１を備えると共に、その判断結果に従って燃焼パラメータを各燃焼形態にて最適となるように制御する燃料噴射量制御部２２、燃料噴射時期制御部２３、点火時期制御部２４、筒内温度制御のためのＥＧＲ率制御部２５を備えている。但し、これらはマイクロコンピュータのプログラムとして実現される。
【００２７】
次に、本実施形態での燃焼制御について説明する。
前記構成のもと、本実施形態では、エンジン回転速度、負荷の運転条件に応じて、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とを切換可能となっており、図３に示すように、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとによる特定の運転領域（低中回転・低中負荷領域）において圧縮自己着火燃焼を行い、それ以外の運転領域においては火花点火燃焼を行う。
【００２８】
図４に圧縮自己着火燃焼時のクランク角度に対する噴射時期及び点火時期と筒内圧及び熱発生率の変化とを示す。また、図５に図４中の各タイミングでのエンジンの状態を模式的に示す。
圧縮自着火燃焼時には、吸気行程において、詳しくは吸気弁７の開弁時期ＩＶＯから吸気下死点ＢＤＣまでの間に、混合気噴射弁８から高温の空気と燃料とを混合して得た高温混合気を噴射し（吸気行程噴射）、この噴射期間中に、噴射された高温混合気に対し火花点火栓９により比較的弱い点火エネルギーで補助的な火花点火（補助点火）を行う（図５（Ａ）参照）。
【００２９】
このような補助点火により燃料の一部を活性化（燃料改質）するが、火炎伝播には至らせない。混合気噴射弁８の場合はその内部で燃料の気化及び空気との混合が進んでいるため、噴射された混合気は既に十分均質な混合気となっている。このため、噴射された混合気に直接火花点火を行っても、ここで生じる燃料の酸化反応はほとんど部分酸化反応（改質反応）までとなる。
【００３０】
このようにして活性化された燃料は、吸気行程の進行と共に、筒内に拡散する（図５（Ｂ）参照）。
圧縮行程においては、混合気噴射弁８より、エンジン負荷に応じて少なくとも１回の追加の噴射（圧縮行程噴射）を行う（図５（Ｃ）参照）。
圧縮行程中に噴射された燃料は、吸気行程中に噴射されて活性化し筒内に拡散している燃料と混合し、ピストン３の圧縮作用により、圧縮上死点ＴＤＣ近傍で、自己着火に至り、燃焼を開始する（図５（Ｄ）参照）。
【００３１】
燃料の活性化により自己着火し易い燃料成分を多く含むため、燃料の着火性が向上し、自己着火燃焼の運転領域を広げることができる。また、混合気噴射弁８内で混合気を形成するのに必要な空気だけをヒータ１１などを用いて高温とすればよいので、燃料活性化に伴う損失の発生を低減できる。
ここで、圧縮自己着火燃焼においては、エンジン回転が高い程、また負荷が小さい程自己着火しにくい。従って、図６に示すように、エンジン回転速度Ｎが大きい程、また負荷Ｔが小さい程、全噴射量に対する吸気行程噴射量（活性化燃料）の割合を大きくして、自己着火を起こし易くする。
【００３２】
また、補助点火時期ＩＧＴは、進角側で点火した方が、燃料活性化の時間が長くなり、自己着火し易くなる。従って、図７に示すように、エンジン回転速度Ｎが大きい程、また負荷Ｔが小さい程、補助点火時期ＩＧＴを進角し、自己着火を起こし易くする。
この場合、混合気噴射弁８による高温混合気の噴射期間中に火花点火を行うことが望ましいので、補助点火時期ＩＧＴの変更に合わせて、吸気行程噴射時期を変更するのが望ましい。
【００３３】
以上に基づいて行われる本発明での燃焼制御の流れを図８のフローチャートにより説明する。
Ｓ１では、エンジン回転速度Ｎ、負荷Ｔを検出する。
Ｓ２では、図３のマップに基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、火花点火燃焼運転領域であるか、圧縮自己着火燃焼運転領域であるか、燃焼形態を判断する。火花点火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ３に進み、通常の火花点火燃焼の制御を行う。
【００３４】
一方、圧縮自己着火燃焼を行うと判断された場合は、Ｓ４〜Ｓ１４に示す圧縮自己着火燃焼の制御を行う。以下、この圧縮自己着火燃焼の制御について説明する。
Ｓ４では、マップ（図示せず）に基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、ＥＧＲガスにより筒内温度を適度に昇温させるためのＥＧＲ率を算出する。
【００３５】
Ｓ５では、マップ（図示せず）に基づき、ＥＧＲ率と、実際に検出した排気温度とから、ＥＧＲ制御弁開度を算出し、制御する。ここで、目標とするＥＧＲ率が大きくなるほど、ＥＧＲ制御弁開度を大きくすることは当然であるが、排気温度により筒内温度を間接的に検出し、排気温度が低くなるに従って、筒内温度上昇のためＥＧＲ制御弁開度を大側に補正する。但し、ＥＧＲ率による燃焼時期制御を行わない場合はこれらＳ４、Ｓ５は省略される。
【００３６】
Ｓ６では、吸気行程噴射量ｑ１及び圧縮行程噴射量ｑ２を算出する。
詳しくは、先ず、図６のマップに基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、全噴射量ｑに対する吸気行程噴射量の割合Ｍを算出する。ここで、吸気行程噴射量の割合Ｍは、高回転、低負荷になるにつれて大きく設定される。そして、吸気行程噴射量ｑ１＝全噴射量ｑ×Ｍ、圧縮行程噴射量ｑ２＝全噴射量ｑ×（１−Ｍ）として、算出する。尚、全噴射量ｑは吸入空気量、エンジン回転速度、目標空燃比等から周知の方法で算出される。
【００３７】
但し、前サイクルのルーチンにおいて、後述するＳ１２又はＳ１４にて吸気行程噴射量の割合を減少又は増加すべきとの指令がある場合は、前記割合Ｍはマップ値を補正して用いる。
Ｓ７では、図７のマップに基づき、エンジン回転速度Ｎと負荷Ｔとから、補助点火時期ＩＧＴを算出する。ここで、補助点火時期ＩＧＴは、高回転、低負荷になるにつれて進角側に設定される。
【００３８】
但し、前サイクルのルーチンにおいて、後述するＳ１２又はＳ１４にて補助点火時期を遅角又は進角すべきとの指令がある場合は、補助点火時期ＩＧＴの補正を行う。
Ｓ８では、吸気行程噴射を実行する。すなわち、吸気行程中の所定の噴射時期又は補助点火時期ＩＧＴに合わせて設定された噴射時期において、混合気噴射弁８により、Ｓ６で設定された吸気行程噴射量ｑ１分の燃料噴射（混合気噴射）を行う。
【００３９】
Ｓ９では、吸気行程中の補助点火を実行する。すなわち、吸気行程中、特に混合気噴射弁８による吸気行程噴射中に、Ｓ７で設定された補助点火時期ＩＧＴにおいて、火花点火栓９により、火花点火を行う。
Ｓ１０では、圧縮行程噴射を実行する。すなわち、圧縮行程中の所定の噴射時期において、混合気噴射弁８により、Ｓ６で設定された圧縮行程噴射量ｑ２分の燃料噴射（混合気噴射）を行う。
【００４０】
Ｓ１１では、ノッキングセンサの信号に基づいて、ノッキングの有無を判定する（この部分がノッキング検出手段に相当する）。
ノッキングを検出した場合は、Ｓ１２へ進み、次サイクルでの吸気行程噴射量の割合Ｍを減少させるか、次サイクルでの補助点火時期ＩＧＴを遅角させるか、少なくとも一方を行うようにし、自己着火を比較的起こしにくくして、ノッキングを回避する。
【００４１】
ノッキング無しの場合は、Ｓ１３へ進む。
Ｓ１３では、クランク角センサの信号より回転変動を検出し、これに基づいて燃焼安定性を判定する（この部分が燃焼安定度検出手段に相当する）。
燃焼不安定を検出した場合は、Ｓ１４へ進み、次サイクルでの吸気行程噴射量の割合Ｍを増加させるか、次サイクルでの補助点火時期ＩＧＴを進角させるか、少なくとも一方を行うようにし、自己着火を起こし易くして、燃焼不安定を回避する。
【００４２】
このように制御することで、ノッキングの発生や燃焼安定性の悪化を防止しつつ、安定した自己着火燃焼を実現できる。
尚、本実施形態では、混合気噴射弁８への空気配管１２に電気ヒータを装着することにより高温の空気を得ているが、高温の空気を得る方法はこれに限るものではなく、電気ヒータ以外の他の加熱手段を用いてもよいし、加熱位置も混合気噴射弁８により近づけるなどしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態を示すエンジンのシステム図
【図２】  混合気噴射弁の概略構造図
【図３】  圧縮自己着火燃焼を行う運転領域を示す図
【図４】  圧縮自己着火燃焼の制御の説明図
【図５】  図４中の各タイミングでのエンジンの状態を示す模式図
【図６】  回転速度及び負荷に対する吸気行程噴射量の割合の特性図
【図７】  回転速度及び負荷に対する補助点火時期の特性図
【図８】  燃焼制御のフローチャート
【符号の説明】
４    燃焼室
７    吸気弁
８    混合気噴射弁
８ａ  混合気噴射弁本体
８ｂ  燃料噴射弁
８ｃ  混合室
８ｄ  ノズル部
９    火花点火栓
１０  エアポンプ
１１  ヒータ
１２  空気配管
１３  燃料ポンプ
１４  燃料配管
２０  ＥＣＵ
【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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