(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁によって燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグにより火花点火する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
機関運転条件の変化に応じた点火プラグ近傍の空燃比の変化を推定して、機関運転条件毎に、要求点火時期の変化幅に対応する期間を含むクランク角期間中、点火プラグ近傍の空燃比が着火可能空燃比となる燃料噴射率を設定し、該設定された燃料噴射率となるように、燃料噴射率を補正制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
燃料噴射弁によって燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグにより火花点火する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
機関運転条件の変化に応じた点火プラグ近傍の空燃比の変化を推定して、機関運転条件毎に、要求点火時期の変化幅に対応する期間を含むクランク角期間中、点火プラグ近傍の空燃比が着火可能空燃比となる燃料噴射率を設定し、該設定された燃料噴射率となるように、燃料噴射率を補正制御する燃料噴射率補正制御手段を含んで構成したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記燃料噴射弁は、流量可変な流量計量部を備え、該流量計量部の流量制御により、燃料噴射率を補正制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記燃料噴射弁は、複数備えられ、これら燃料噴射弁の組み合わせ制御により、燃料噴射率を補正制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
点火プラグ近傍の空燃比を任意の代表条件で検出し、該検出結果に基づいて燃料噴射率をフィードバック補正制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
点火プラグ近傍の空燃比を常時検出し、該検出結果に基づいて燃料噴射率をフィードバック補正制御することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置に関し、特に、着火安定性を確保するように燃料噴射を行う技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直噴式火花点火内燃機関の燃料噴射制御装置としては、以下のような技術がある(特開平６−２８８２８３号公報参照) 。
【０００３】
即ち、点火前の点火プラグ近傍の空燃比を検出し、該検出結果に基づいて燃料噴射弁による燃料噴射時期を制御することにより空燃比変動のリッチピーク時期に点火時期を迎えることができるように燃料噴射を行わせることができ、これにより、常に高い着火安定性を図るものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来装置にあっては、燃料を圧縮行程で噴射して成層燃焼を行おうとする場合、燃料噴射弁の噴霧形状バラツキや噴霧形状に経時変化等により、着火可能空燃比よりも濃空燃比となる可能性は十分あり、そこで濃空燃比方向に燃料噴射時期を補正すると、失火サイクルを生じることになる。また、噴霧形態は背圧によって変化するため噴射時期を補正すると設定噴射時期において前回検出した空燃比にならずに制御を繰り返し、そのため応答性が低下する可能性がある。あるいは、点火プラグ近傍でサイクル毎に大きく変動する場合には噴射時期のみの制御では十分な燃焼安定性が得られない可能性がある。
【０００５】
このため、燃料噴射後における点火プラグ近傍の空燃比を１サイクル中において時系列的に検出し、点火時期、点火方法、燃料噴射時期の運転条件を、単独または複数同時に制御することにより燃焼安定性を確保することが考えられる。例えば、初期状態より空燃比変化が速くなって初期の点火時期における点火プラグ近傍の空燃比がリッチ限界から外れる場合は、点火時期を進角補正し、同じく空燃比変化が遅くなった場合には点火時期を遅角補正する。また、空燃比変動が大きい場合や空燃比がリッチ限界付近またはリーン限界付近に張り付くような場合は、多重点火や放電時間を長くする制御を行うなどことにより、燃焼安定性を確保しようとするものである。
【０００６】
しかし、このような方法では、点火プラグ近傍の空燃比を着火可能範囲内にあって安定燃焼を確保できる点火期間が限られていたため、燃焼安定性を確保できるのは定常運転条件時のみであり、過渡時等の要求点火時期に変化が生じる場合には、上記点火時期、燃焼噴射時期制御では追いつけず、燃焼不安定を生じる可能性がある。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、燃料噴射率を適切に制御することによって、上記課題を解決することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このため請求項１に係る発明は、
燃料噴射弁によって燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグにより火花点火する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
機関運転条件の変化に応じた点火プラグ近傍の空燃比の変化を推定して、機関運転条件毎に、要求点火時期の変化幅に対応する期間を含むクランク角期間中、点火プラグ近傍の空燃比が着火可能空燃比となる燃料噴射率を設定し、該設定された燃料噴射率となるように、燃料噴射率を補正制御することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に係る発明は、図１に示すように、
燃料噴射弁によって燃焼室内に燃料を直接噴射し、点火プラグにより火花点火する内燃機関の燃料噴射制御装置において、
機関運転条件の変化に応じた点火プラグ近傍の空燃比の変化を推定して、機関運転条件毎に、要求点火時期の変化幅に対応する期間を含むクランク角期間中、点火プラグ近傍の空燃比が着火可能空燃比となる燃料噴射率を設定し、該設定された燃料噴射率となるように、燃料噴射率を補正制御する燃料噴射率補正制御手段を含んで構成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項１又は請求項２に係る発明によると、
燃料噴射率を補正制御することにより、点火プラグ近傍の空燃比が点火時期を含む一定のクランク角期間、着火可能空燃比範囲内にあるように適正状態に制御することが可能となり、以って常に安定した燃焼性を確保することができる。
また、過渡条件では、要求点火時期は瞬時に変化するため、該変化幅に対応する期間を含むクランク角期間中、点火プラグ近傍の空燃比が着火可能空燃比となるように、燃料噴射率を補正制御することにより、過渡条件でも安定した燃焼性を確保することができる。
ここで、点火プラグ近傍の空燃比及び該空燃比が適正な範囲のクランク角期間は、燃料噴射率により変化し、同一機関運転条件では噴射率が減少するとパルス幅が伸び点火プラグ近傍の空燃比が薄くなると共に、該空燃比が適正な範囲のクランク角期間は増大し、また、噴射率が増大するとパルス幅が減少し点火プラグ近傍の空燃比が濃くなると共に、該空燃比が適正な範囲のクランク角期間は短縮する。
一方、同一燃料噴射率の場合、同一機関回転速度条件では、前記空燃比適正範囲クランク角期間は、高負荷側で増大、低負荷側で減少し、同一負荷条件では、機関回転速度に比例し、低回転側では減少、高回転側では増大する。また、点火プラグ近傍の空燃比は、同一ガス流動化で考えると、機関回転速度、負荷では影響ないが、回転速度変化によるガス流動の変化を考慮すると、点火プラグ近傍の要求空燃比限界の範囲が、低回転側では薄い側に、高回転側では濃い側に移動する。
そこで、上記の傾向に基づいて機関運転条件の変化に応じた点火プラグ近傍の空燃比の変化を推定して、機関運転条件毎に、要求点火時期の変化幅に対応する期間を含むクランク角期間中、点火プラグ近傍の空燃比が着火可能空燃比となる燃料噴射率を設定し、該設定された燃料噴射率となるように、燃料噴射率を補正制御する燃料噴射率補正制御を実行することにより、点火プラグ近傍の空燃比と空燃比適正範囲クランク角期間とを、運転条件に応じて最適に制御できる。
【００１１】
また、請求項３に係る発明は、
前記燃料噴射弁は、流量可変な流量計量部を備え、該流量計量部の流量制御により、燃料噴射率を補正制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明によると、
例えば、針弁リフト量やスワール溝面積を可変とすることにより流量可変に構成された流量計量部を備え、該流量計量部を駆動して流量を可変制御することにより、燃料噴射率を容易かつ高精度に補正制御できる
また、請求項４に係る発明は、
前記燃料噴射弁は、複数備えられ、これら燃料噴射弁の組み合わせ制御により、燃料噴射率を補正制御することを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係る発明によると、
燃料噴射率一定の燃料噴射弁を複数備え、これら燃料噴射弁を組み合わせて駆動することにより、燃料噴射率を可変として補正制御できる。
【００１９】
また、請求項５に係る発明は、
点火プラグ近傍の空燃比を任意の代表条件で検出し、該検出結果に基づいて燃料噴射率をフィードバック補正制御することを特徴とする。
【００２０】
請求項５に係る発明によると、
長時間運転時の燃料噴霧形態の経時変化により点火プラグ近傍の空燃比が大きく変わる場合においても、実際の空燃比検出値に基づいた燃料噴射率のフィードバック補正が可能となり、より正確な燃料噴射補正制御が可能となる。
【００２１】
また、請求項６に係る発明は、
点火プラグ近傍の空燃比を常時検出し、該検出結果に基づいて燃料噴射率をフィードバック補正制御することを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
サイクル毎の点火プラグ近傍の空燃比が変動する場合においても、燃料噴射率の補正が可能となり、燃焼安定性が向上する。また、全運転領域で、より正確な燃料噴射率の補正制御が可能となり、燃焼安定性を広い範囲で確保できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る内燃機関の燃料噴射制御装置の実施形態について説明する。
【００２３】
図２において、内燃機関１の吸気ポート２下部に、燃焼室３に対して斜め下向きに直接燃料を噴射する高圧型の燃料噴射弁４が設けられ、前記燃焼室３の略中心に点火プラグ５が設けられる。そして、低・中負荷領域では、燃焼室３内に圧縮行程で燃料噴射することにより、前記点火プラグ５周辺に可燃混合気を層状に形成して成層燃焼を行い、高負荷領域では燃焼室３内に吸気行程で燃料噴射することによりシリンダ全体に略均質な混合比の混合気を形成して均質燃焼を行なうことができるようになっている。ここで、前記燃料噴射弁４は、針弁リフト量やスワール溝面積を可変とすることにより流量可変に構成された流量計量部を備えており、制御回路６により流量計量部を駆動して単位時間あたりの流量を可変制御することにより、燃料噴射率を可変に制御できるようになっている。ここで、流量を少なくすることで、燃料噴射率は小さくなり、流量を大きくすることで、燃料流量率は大きくなる。
【００２４】
また、アクセル開度Ａｃｃの検出を介して機関の負荷を検出するアクセル開度センサ７と、機関回転速度Ｎｅを検出するクランク角センサ８と、機関冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ９と、の各検出信号が、コントロールユニット１０に入力される。
【００２５】
前記コントロールユニット１０は、図３に示すように、前記各検出信号に基づいて検出される運転条件に応じて、点火時期、燃料噴射時期、吸入空気量、空燃比、燃料噴射パルス幅、燃圧を制御する各制御部を有し、更に、点火プラグ５近傍の空燃比が着火可能空燃比である適正状態である期間が、要求点火時期の変化幅に対応するクランク角期間だけ確保できるように、前記燃料噴射弁の流量計量部を制御することにより、燃料噴射率を期間の運転条件に応じて、予め設定された値に補正制御する制御部を有する。
【００２６】
次に、該第１の実施形態について、一連の作用を説明する。
図４に示すように、成層燃焼運転時の点火プラグ近傍の時系列的な空燃比は、一般に着火可能空燃比を含んで希薄空燃比から濃空燃比へ変化し、更に希薄空燃比へと大きく変化している。即ち、不均質な燃料混合気が点火プラグ近傍を通過しており、点火時期付近の空燃比が濃空燃比限界から希薄空燃比限界の範囲を超える場合には、図５に示すように、安定的に混合気に着火できないため、要求点火時期付近では、その時の空燃比を着火可能空燃比（適正値）に常に設定しなければならない。更に、図６に示すように、過渡状態を考慮すると要求点火時期は瞬時に変化するため、要求点火時期が変化しても安定的に混合気に着火できるように上記の適正な空燃比の範囲を、要求点火時期の変化幅に対応したクランク角期間を含む任意のクランク角期間を確保しなければならない。
【００２７】
また、前記成層燃焼運転中の点火プラグ近傍の空燃比、及び、該空燃比が適正な範囲のクランク角は、燃料噴射率により変化する。即ち、図７に示すように、機関回転速度、負荷、吸入空気量、燃圧、空燃比が同一であるときには、燃料噴射率が減少すると噴射パルス幅が伸び、その結果該空燃比が適正な範囲のクランク角は伸び、かつ、点火プラグ近傍の空燃比は薄くなる。一方、燃料噴射率が増加すると噴射パルス幅は短縮し、該空燃比が適正な範囲のクランク角は短縮し、かつ、点火プラグ近傍の空燃比は濃くなる。
【００２８】
したがって、図８に示すように、成層燃焼運転時の点火プラグ近傍の時系列的な空燃比においては、同一噴射率の場合には、該空燃比が適正な範囲のクランク角期間は、同一機関回転速度時は、負荷方向は噴射パルス幅に比例するので高負荷側で増大、低負荷側で減少し、また、同一負荷（噴射パルス幅）時は、機関回転速度に比例し、低回転側では減少、高回転側では増大し、また、点火プラグ近傍の空燃比は、同一ガス流動化で考えると、機関回転速度、負荷では影響ないが、回転速度変化によるガス流動の変化を考慮すると、点火プラグ近傍の要求空燃比限界の範囲が、低回転側では薄い側に、高回転側では濃い側に移動する。
【００２９】
図９は、以上の傾向を考慮して燃料噴射率補正制御を実行する前記燃料噴射率補正制御部の制御ブロック図を示す。即ち、燃料噴射率補正制御部において、成層運転・均質運転判断部によって成層燃焼運転と均質燃焼運転とを判別し、成層燃焼運転時には、点火プラグ近傍空燃比が適正で、かつ、その期間が要求点火時期の変化幅に対応するクランク角期間だけ確保できるように、機関回転速度と負荷とをパラメータとして燃料噴射率を設定したマップからの検索により燃料噴射率を設定し、均質燃焼運転時には均質燃焼用の燃料噴射率（固定値としてもよい）を設定し、上記のようにして設定された燃料噴射率となるように燃焼噴射率を補正制御する。
【００３０】
次に、前記燃料噴射率補正制御部による燃料噴射率補正制御を含む機関制御を、図１０に示したフローチャートにしたがって説明する。
まず、ステップ（図ではＳと記す。以下同様）１では、機関回転速度Ｎｅ、負荷Ａｃｃ、水温Ｔｗを検出する。
【００３１】
ステップ２では、これら検出値に基づいて成層燃焼運転と均質燃焼運転とを判別する。
該判別された各燃焼運転毎に、ステップ３，ステップ７では、点火時期、燃焼噴射時期、吸入空気量、空燃比、燃圧を、各マップからの検索等により設定する。
【００３２】
次いで、各燃焼運転毎に、ステップ４，ステップ８で、各燃焼用の燃焼噴射率を設定する。尚、既述したように成層燃焼用の燃焼噴射率は、燃料噴射率マップからの検索により行う。
【００３３】
ステップ５，ステップ９では、前記燃焼運転毎に設定された燃料噴射率にしたがって、燃料噴射弁の流量計量部の可変制御により燃料噴射率を可変制御する。また、ステップ６，ステップ１０では、前記補正された燃焼噴射率に基づいて各燃焼運転毎の燃料噴射パルス幅が設定され、該燃料噴射率と燃料噴射パルス幅とにより燃料噴射量が制御される。
【００３４】
また、前記第1の実施形態の変形態様として、図１１、図１２に示すように、前記成層燃焼運転時の燃料噴射率を、マップを設定して検索する代わりに、機関回転速度と負荷とに応じて、図２０、図２１に示したような特性を用いて、それぞれ補正演算して設定するようにしてもよい。
【００３５】
このように制御することで、燃料噴射率一定時に対し、低回転低負荷時の成層燃焼運転時は、点火プラグ近傍の空燃比が薄くなることで適正になり、その期間が長くなることで、要求点火時期の変動幅に対応したクランク角期間を確保できる。また、高回転高負荷時の成層燃焼運転時は、点火プラグ近傍の空燃比は濃くなることで適正になり、その期間は短くなることで要求点火時期の変化幅に対応したクランク角期間を確保できる。したがって、全成層運転域で点火プラグ近傍空燃比が適正で、その期間が要求点火時期の変化幅に対応するクランク角期間を含む期間だけ確保でき、定常、過渡時共に安定燃焼が可能になる。
【００３６】
図１３〜図１６には、第２の実施形態を示す。
即ち、前記第１の実施形態では、機関回転速度、負荷等で定まる運転状態毎に推定される点火プラグ近傍の空燃比に基づいて、マップからの検索や補正演算を行って燃料噴射率を設定し、燃料噴射率をフィードフォワードにより補正制御する構成としたが、第２の実施形態では、更に運転状態毎の点火プラグ近傍の空燃比を実際に検出しつつ、燃料噴射率をフィードバック補正する構成を追加したとする。
【００３７】
このため、図１３及び図１４に示すように、前記第１の実施形態の構成に加えて、点火プラグ５と一体的に、点火プラグ５近傍に光学情報（透過光強度）を出力する透過光強度センサ１１と、筒内圧力（燃焼室内圧力）を検出する筒内圧センサ１２と、を設置する。そして、これら透過光強度センサ１１により得られる光学情報と、筒内圧センサ１２により得られる筒内圧力とに基づいて、コントロールユニット１０において、各サイクルの燃料噴射時期から点火時期までの期間を含む時系列的な空燃比を演算することにより、点火プラグ５近傍の空燃比を検出する空燃比検出部を設け、任意の代表条件（機関回転速度及び負荷に対して設定された燃料噴射時期、点火時期、空燃比等）で点火プラグ５近傍の空燃比を検出し、この情報に基づいて点火プラグ５近傍の空燃比を、要求点火時期の変化幅に対応する期間を含むクランク角期間、適正な値、つまり着火可能空燃比に確保するため、燃料噴射率を補正制御する構成とした。
【００３８】
具体的には、図１５、図１６に示すように、燃料噴射率を機関回転速度、負荷で補正（マップでの補正でもよい）した後、任意の代表条件での点火プラグ５近傍の空燃比が該代表条件における基準値に対して変化しているかを検出し、変化している場合には、該検出された空燃比に応じて燃料噴射率の補正を行うものである。これにより、長時間運転時の燃料噴霧形態の経時変化により点火プラグ近傍の空燃比が大きく変わる場合においても、実際の空燃比検出値に基づいた燃料噴射率のフィードバック補正が可能となり、より正確な燃料噴射補正制御が可能となる。
【００３９】
次に、図１７及び図１８に第３の実施形態を示す。該第３の実施形態は、前記第２の実施形態と同様、透過光強度センサ１１と筒内圧センサ１２とを備えるが、第２の実施形態では、任意の代表条件における点火プラグ５近傍の空燃比を検出して、燃料噴射率をフィードバック補正する構成を付加したのに対し、第3の実施形態では、全運転域で、常時運転中にサイクル毎の点火プラグ５近傍の空燃比を検出し、この情報に基づいて次サイクルの燃料噴射率をフィードバック補正する構成を付加したものである。これにより、サイクル毎の点火プラグ５近傍の空燃比が変動する場合においても、燃料噴射率の補正が可能となり、燃焼安定性が向上する。また、全運転領域で、より正確な燃料噴射率の補正制御が可能となり、燃焼安定性を広い範囲で確保できる。
【００４０】
次に、図１９には、第４の実施形態を示す。即ち、前記第１〜第３の実施形態においては、１つの燃料噴射弁の流量計量部における針弁リフト量やスワール溝面積を可変として流量を可変制御することにより、燃料噴射率を補正制御する構成としたが、該第４の実施形態では、気筒毎に複数の燃料噴射弁４Ａ，４Ｂを設け、制御回路６を介して該複数の燃料噴射弁４Ａ，４Ｂを組み合わせて制御することにより、燃料噴射率を補正制御するものである。このようにすれば、流量計測部を備えない燃料噴射弁を用いて、燃料噴射率の補正制御を行うことができる。具体的には、一方の燃料噴射弁のみを駆動させれば、燃料噴射率は小さく、両方の燃料噴射弁を駆動すれば燃料噴射率は大きくなるので、一方のみの駆動時間と両方の駆動時間との時間割合を制御することにより所望の燃料噴射率を得ることができる。なお、燃料噴射率の異なる複数の燃料噴射弁を用いて組み合わせ制御することにより、より木目細かく燃料噴射率を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の構成・機能を示すブロック図。
【図２】  本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置のシステム構成を示す図。
【図３】  同上実施形態の構成を示すブロック図。
【図４】  成層燃焼時の点火プラグ近傍の時系列的な空燃比を示す図。
【図５】  成層燃焼時の点火プラグ近傍の時系列的な空燃比の別の例を示す図。
【図６】  成層燃焼時の点火プラグ近傍の時系列的な空燃比の更に別の例を示す図。
【図７】  成層燃焼時の点火プラグ近傍の空燃比の燃料噴射率に対する影響を示す図。
【図８】  成層燃焼時の点火プラグ近傍の空燃比の回転、負荷に対する影響を示す図。
【図９】  第１の実施形態における燃料噴射率制御部の構成を示すブロック図。
【図１０】  第１の実施形態における燃料噴射率制御を示すフローチャート。
【図１１】  第１の実施形態の変形態様における燃料噴射率制御部の構成を示すブロック図。
【図１２】  第１の実施形態の変形態様における燃料噴射率制御を示すフローチャート。
【図１３】  本発明の第１の実施形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置のシステム構成を示す図。
【図１４】  第2の実施形態の構成を示すブロック図。
【図１５】  第２の実施形態における燃料噴射率制御部の構成を示すブロック図。
【図１６】  第２の実施形態における燃料噴射率制御を示すフローチャート。
【図１７】  第３の実施形態における燃料噴射率制御部の構成を示すブロック図。
【図１８】  第３の実施形態における燃料噴射率制御を示すフローチャート。
【図１９】  本発明の第３の実施形態に係る内燃機関の燃料噴射制御装置のシステム構成を示す図。
【図２０】  実施形態における機関回転速度に対する燃料噴射率の特性を示す線図。
【図２１】  実施形態における負荷に対する燃料噴射率の特性を示す線図。
【符号の説明】
１    内燃機関
３    燃焼室
４，4Ａ，4Ｂ    燃料噴射弁
５    点火プラグ
６制御回路
７    アクセル開度センサ
８    クランク角センサ
９    水温センサ
10    コントロールユニット
11    透過光強度センサ
12    筒内圧センサ
【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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【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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【図１５】
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【図１６】
0003945072.tif 000017
【図１７】
0003945072.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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