(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようにした筒内噴射式内燃機関のピストンにおいて、
ピストン頂部に、上記ペントルーフ型燃焼室を構成する２つの傾斜面にそれぞれ略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面及び排気弁側傾斜面を有する凸部を形成し、
この凸部に、皿状のボウルをピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設するとともに、このボウルの筒内スワール下流側位置にスワールガイド部を凹設し、
上記ボウルの周壁面が上方へ向かってテーパ状に拡がった皿形をなしているとともに、上記スワールガイド部の側壁面が上方へ向かって拡がるように傾斜しており、
このスワールガイド部の側壁面の上縁を、上記ボウルの周壁面の上縁に滑らかに接続するとともに、上記スワールガイド部の側壁面を上記凸部の外周部まで延長したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関のピストン。
【請求項２】
上記スワールガイド部の平坦な底面が、円形の平坦面をなす上記ボウルの底面よりもピストン軸方向で浅い位置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内燃機関のピストン。
【請求項３】
上記吸気弁側傾斜面に上記吸気弁の弁頭部に対応して一対のバルブリセスが凹設されており、
上記スワールガイド部が、上記ボウルの筒内スワール下流側に位置する一方のバルブリセスを兼用し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内燃機関のピストン。
【請求項４】
上記ボウルの周壁面と上記スワールガイド部の側壁面とが滑らかに連続する湾曲面に形成されているとともに、上記ボウルの底面と上記スワールガイド部の底面とが滑らかに連続する平坦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内燃機関のピストン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガソリン機関に代表される筒内噴射式内燃機関のピストンに関し、特に、シリンダ内に生成されるタンブル成分およびスワール成分を利用して、均質燃焼及び成層燃焼の双方が可能な筒内噴射式内燃機関のピストンの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全開出力時等にシリンダ内に略均質な空燃比の混合気を形成していわゆる均質燃焼を行うとともに、低負荷域では、シリンダ内の一部つまり点火プラグ近傍のみに比較的濃い混合気を形成して平均的な空燃比を非常に大きく得るようした成層燃焼を行う筒内噴射式内燃機関が従来から種々提案されている。
【０００３】
成層希薄燃焼を可能とした筒内噴射式内燃機関のピストンとしては、例えば、特公平８−３５４２９号公報に記載のものが知られている。この公報に記載の内燃機関は、ピストンの頂部に、ピストン外形円に対し偏心した非円形のボウルが形成されているとともに、ピストン上死点付近においてこのボウルへ向けて燃料を噴射供給できるように燃料噴射弁が配置されている。上記ボウルは、内部に燃料およびスワールを封じ込めるように、リエントラント型の構成となっている。また、このボウルに強いスワールを生成するために、一対の吸気ポートの一方をヘリカルポートとして構成するとともに、他方の吸気ポートを開閉する空気制御弁を備えている。
【０００４】
つまり、この公報の内燃機関では、希薄燃焼時には、上記空気制御弁を閉じて一方のヘリカルポートのみから新気を導入し、シリンダ外周部に強いスワールを生成する。このスワールは、ピストンの上昇に伴ってボウル内に導入されるので、圧縮上死点付近でボウル内に燃料を噴射することにより、ボウル内で可燃混合気が形成され、かつ点火プラグ近傍に運ばれる。従って、適宜な時期に点火を行うことにより、着火燃焼に至ることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
シリンダ内に生成するスワールは、外周側の流動成分が内周側の流動成分に比して強い傾向にある。しかしながら、上記従来のピストン構造では、内周側のスワール成分はボウル内へ比較的導入され易いものの、外周側のスワール成分は、圧縮上死点付近でシリンダヘッド側のペントルーフ傾斜面と、ピストン冠面の傾斜面との間に挟まれて減衰され易く、ボウル内へ良好に導入されない。この結果、ボウル内に十分なスワール成分を確保できず、燃焼効率の低下を招く虞がある。
【０００６】
この発明は、シリンダ外周部を旋回する筒内スワールを効果的にボウル内に導入し得る新規な筒内噴射式内燃機関のピスト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】
本発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンは、シリンダヘッドに凹設されたペントルーフ型燃焼室に２つの吸気弁および２つの排気弁を有するとともに、シリンダ略中央に点火プラグを有し、かつ、シリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁が吸気弁側に配置され、シリンダ内にタンブル流成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するとともに、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現するようになっている。
【０００８】
そして、請求項１の発明は、ピストン頂部に、上記ペントルーフ型燃焼室を構成する２つの傾斜面にそれぞれ略平行となるように傾斜した吸気弁側傾斜面及び排気弁側傾斜面を有する凸部を形成し、この凸部に、皿状のボウルをピストン外形円に対し吸気弁側に偏心した位置に凹設するとともに、このボウルの筒内スワール下流側位置にスワールガイド部を凹設し、上記ボウルの周壁面が上方へ向かってテーパ状に拡がった皿形をなしているとともに、上記スワールガイド部の側壁面が上方へ向かって拡がるように傾斜しており、このスワールガイド部の側壁面の上縁を、上記ボウルの周壁面の上縁に滑らかに接続するとともに、上記スワールガイド部の側壁面を上記凸部の外周部まで延長したことを特徴としている。
【０００９】
すなわち、ピストン頂部に形成される凸部の頂面に、吸気弁側傾斜面と排気弁側傾斜面とが形成され、ピストン上死点においてシリンダヘッド側の燃焼室との間の空間が可及的に小さくなるように構成されている。
【００１０】
成層燃焼時には、例えば一方の吸気ポートを閉じる等の手段によって、シリンダ内に筒内スワールが生成される。ここで、シリンダ外周部を旋回する外周側のスワールは、ピストンの上昇に伴ってスワールガイド部の側壁面に突き当たる形となり、この側壁面をガイドとしてボウル内にスムースに導入される。従って、外周側のスワールが十分にボウル内に導入され、ピストン上死点付近でボウル内に良好に封じ込められる。この結果、上死点近傍で燃料がボウルへ向けて噴射されることにより、良好な成層燃焼を実現できる。
【００１１】
また均質燃焼時には、一対の吸気弁を介してシリンダ内に流入した新気によってタンブル流が生成され、かつ吸気行程付近で燃料が噴射される。このタンブル流によってボウル内の燃料の滞留が防止され、均質な混合気による均質燃焼を実現できる。
【００１２】
より好ましくは、請求項２の発明のように、上記スワールガイド部の平坦な底面が、円形の平坦面をなす上記ボウルの底面よりもピストン軸方向で浅い位置に形成されている。
【００１３】
すなわち、ボウルとスワールガイド部との間に段差が与えられており、ボウル内に導入された混合気やスワール成分が、スワールガイド部に漏出することなく、確実にボウル内に封じ込められる。
【００１４】
請求項３の発明は、上記吸気弁側傾斜面に上記吸気弁の弁頭部に対応して一対のバルブリセスが凹設されており、上記スワールガイド部が、上記ボウルの筒内スワール下流側に位置する一方のバルブリセスを兼用していることを特徴としている。
【００１５】
このようにバルブリセスが凹設されていると、吸気上死点付近でも吸気弁にリフトを与えることが可能となり、均質燃焼時の出力向上を図る場合に有利である。
【００１６】
請求項４の発明は、上記ボウルの周壁面と上記スワールガイド部の側壁面とが滑らかに連続する湾曲面に形成されているとともに、上記ボウルの底面と上記スワールガイド部の底面とが滑らかに連続する平坦面に形成されていることを特徴としている。
【００１７】
つまり、ボウルとスワールガイド部とが滑らかに連続する１つの凹部として形成されているため、その加工が容易であるとともに、ピストン冠面の凹凸が少なくなるので、熱効率的に有利である。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る筒内噴射式内燃機関のピストンによれば、シリンダ外周部を旋回する外周側のスワール成分が、スワールガイド部の側壁面をガイドとしてスムースにボウル内へ導入されるようになり、十分な強さのスワールをボウル内に確保できるため、その燃焼特性が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
始めに、この発明に係るピストン４が用いられる筒内噴射式内燃機関の構成を図１および図２に基づいて説明する。図示するように、シリンダブロック１には、複数のシリンダ３が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド２が固定されている。シリンダ３内には、ピストン４が摺動可能に嵌合している。また、シリンダヘッド２に凹設された燃焼室１１は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面１１ａに一対の吸気弁５が、他方の傾斜面１１ｂに一対の排気弁６がそれぞれ配置されている。そして、これらの一対の吸気弁５および一対の排気弁６によって囲まれたシリンダ３の略中心位置に、点火プラグ７が配置されている。
【００２１】
シリンダヘッド２には、一対の吸気弁５にそれぞれ対応する一対の吸気ポート８が互いに独立して形成されている。つまり、一対の吸気ポート８は、シリンダヘッド２内で合流せず、それぞれシリンダヘッド２側面において独立して開口している。また排気弁６に対応して排気ポート９が形成されている。
【００２２】
略円筒状をなす電磁式燃料噴射弁１０は、吸気弁５側のシリンダ３側壁寄りのシリンダヘッド２下面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。また、燃料噴射弁１０は、図２に示すように、２つの吸気弁５の間に配置されている。
【００２３】
シリンダ３内に配置されたピストン４の頂部には、後述するように、吸気弁５側に偏心した位置に、略皿形のボウル１２が凹設されており、ピストン４が上死点近傍にあるときに、燃料噴射弁１０の噴霧軸線がこのボウル１２を指向するようになっている。なお、点火プラグ７は、ピストン４が上死点にあるときにボウル１２内に入り、かつその外周部に位置するように配置されている。
【００２４】
一対の吸気ポート８は、それぞれ吸気マニホルド１３側に独立して形成された一対の吸気通路１４ａ，１４ｂに接続されている。そして、一方の吸気通路１４ｂ内には、この吸気通路１４ｂを開閉するバタフライバルブ型の空気制御弁１５が介装されている。この空気制御弁１５は、シャフト１６を介して図示せぬ駆動機構により機関運転条件に応じて開閉制御される。なお、空気制御弁１５が閉じた状態では、他方の吸気通路１４ａに連なる吸気ポート８のみを通して新気が流入するのであるが、この吸気ポート８は、ヘリカルポートではなく、緩く湾曲した略直線状のポート形状をなしている。
【００２５】
上記の内燃機関の基本的な作用について説明すると、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ３内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、空気制御弁１５が開状態に制御され、一対の吸気ポート８の双方からシリンダ３内へ新気が導入される。これにより、シリンダ３内には、強いタンブル流（縦渦）が生成される。また、燃料は、吸気行程中にシリンダ３内に噴射供給される。この燃料は、タンブル流によってシリンダ３内で積極的に拡散され、ボウル１２内に滞留することなく均質化が促進される。
【００２６】
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、空気制御弁１５が閉じられ、一方の吸気ポート８のみからシリンダ３内に新気が流入する。これにより、シリンダ３内では、タンブル成分が相対的に弱められ、かつ水平方向に沿ったスワール流が強く生成される。そして、この成層希薄燃焼の際には、燃料は、圧縮行程の後半において燃料噴射弁１０からボウル１２へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、ピストン４頂部のボウル１２内に封じ込められたスワール流に乗って点火プラグ７側へ移動し、点火プラグ７周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能となる。
【００２７】
次に、図３〜５を参照して、本発明の第１実施例に係るピストン４の構成、特にその頂部の構成を詳細に説明する。
【００２８】
このピストン４においては、上死点においてボウル１２がシリンダ３内の空間の大部分を占めるように、その頂面に凸部２１が設けられている。この凸部２１は、基本的に４つの面から構成されている。すなわち凸部２１は、シリンダヘッド２側のペントルーフ型燃焼室１１を構成する２つの傾斜面１１ａ，１１ｂ（図１，２）に略平行な平面からなる吸気弁側傾斜面２２および排気弁側傾斜面２３と、ピストン４の外形円と同心の円錐面からなる一対の円錐形側面２４，２５とによって構成されている。
【００２９】
そして、ピストン４が上死点にあるときに、凸部２１の各面２２〜２５とシリンダヘッド２の燃焼室１１との間に生じるクリアランスが非常に小さなものとなり、シリンダ３内に残る容積の大部分を、凸部２１に凹設されたボウル１２及び後述するスワールガイド部４０が占有する形となる。
【００３０】
なお、ピストン４頂面のスラスト，反スラスト側の部分には、シリンダヘッド２側の燃焼室１１の両側に平坦面として残されたスキッシュエリア２ａ，２ｂ（図１）に対応して、一対の水平面２６が形成されている。
【００３１】
上記のボウル１２は、その底面１２ａが円形の平坦面に形成されているとともに、その周壁面１２ｂが上方へ向かって緩くテーパ状に拡がった皿形をなしている。また、ボウル１２の開口縁部（上縁部）１２ｃは、図４，５に示すようにピストン４の軸方向視で円形をなし、かつ、僅かに排気弁側傾斜面２３側へはみ出ている。
【００３２】
そして本実施例では、シリンダ３内を旋回する筒内スワールＳの流れ方向で、ボウル１２のスワール下流側位置に、スワールガイド部４０が凹設されている。このスワールガイド部４０は、２つの面から形成されていて、すなわち、ボウル１２の底面１２ａよりもピストン軸方向視で浅い位置に形成された平坦なガイド底面４０ａと、このガイド底面４０ａと凸部２１頂面とを接続するように、上方へ向かって緩く傾斜するガイド側壁面４０ｂと、から形成されている。
【００３３】
このガイド側壁面４０ｂは、シリンダ３の外周部を旋回する外周スワールＳ１を良好にボウル１２内に導くように、この外周スワールＳ１に対向するように形成されており、より具体的には、内周側でボウル１２の周壁面１２ｂと滑らかに接続されているとともに、凸部２１の外周部すなわち円錐形側面２５まで外周側に延長されている。
【００３４】
そして、略直線状に延びるガイド側壁面４０ｂの上縁４０ｃが、ボウル１２の開口縁１２ｃと滑らかに接続し、つまりボウル開口縁１２ｃの接線方向に延びている。
【００３５】
次に、本実施例の作用を図４，５を参照して説明する。
【００３６】
成層希薄燃焼時には、上述したように一方の吸気弁５を閉じることによって、シリンダ３内に強いスワールＳが生成される。
【００３７】
図４の（ａ）はピストン４が吸気下死点に位置する状態を示しており、この状態（ａ）からピストン４が（ｂ）に示す位置まで上昇してくると、先ず、比較的流動成分の弱い内周側のスワールＳ２がピストン軸方向で高い位置にあるボウル１２の周壁面１２ｂをガイドとしてボウル１２内に導入される。
【００３８】
この状態（ｂ）から（ｃ）に示す状態（点火時付近の状態）までピストン４が上昇してくると、シリンダ３の傾斜面１１ａ，１１ｂとピストン４の傾斜面２２，２３との間の空間が非常に狭くなってくる。このとき、シリンダ３の外周部を旋回する比較的流動成分の強い外周側のスワールＳ１が、スワールガイド部４０のガイド側壁面４０ｂに衝突し、このガイド側壁面４０ｂに沿ってボウル１２内にスムースに導入される。
【００３９】
そして、圧縮行程後半においてボウル１２へ向けて燃料が噴射された後、（ｄ）に示すようにピストン４が上死点に近づくと、ボウル１２を有する凸部２１の各面がシリンダヘッド２側の対応する面にそれぞれ近接し、ボウル１２が全周に亙って良好にシールされた状態となって、十分な強さのスワールＳ１，Ｓ２がボウル１２内に封じ込められる。従って、ボウル１２内のスワールや混合気が外部へ漏出せずに、このボウル１２内で良好に燃焼が進行する。
【００４０】
一方、均質燃焼時には、一対の吸気ポート８から流入した新気によってシリンダ３内にタンブル流が形成され、かつ吸気行程中に燃料噴射が行われるが、ボウル１２は、上方が緩いテーパ状に拡がった皿形をなしており、かつ、タンブル流が集中する一対の吸気ポート８の中心線上に略円形のボウル１２が位置しているので、このボウル１２内に入った燃料がタンブル流によって容易に洗い流され、滞留してしまうことがない。従って、高負荷時にも均質な混合気を形成でき、良好な均質燃焼が可能である。
【００４１】
以上のように本実施例では、シリンダ３外周部を旋回する外周側のスワールＳ１を、スワールガイド部４０の側壁面４０ｂをガイドとしてスムースにボウル１２内に導入できるため、十分な強さのスワールをボウル１２内に確保でき、その燃焼特性が向上する。
【００４２】
また、この第１実施例では、スワールガイド部４０のガイド底面４０ａがボウル１２の底面１２ａよりもピストン軸方向で浅い位置に形成されており、ボウル１２とスワールガイド部４０との間に段差が与えられているため、ボウル１２内に導入されたスワールや混合気を、スワールガイド部４０へ漏出させることなく確実にボウル１２内へ封じ込めておくことができる。
【００４３】
次に、図６〜８を参照して、本発明の第２実施例に係るピストンについて説明する。なお、後述する実施例において、既に上述した部分には同一符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４４】
この第２実施例では、図１，２に示す吸気弁５に対して公知の可変動弁機構が設けられており、機関運転条件に応じてバルブリフト特性を可変制御できる構成となっている。そして、凸部２１の吸気弁側傾斜面２２に、吸気弁５の弁頭部に対応して一対のバルブリセス３１，３２が凹設されている。
【００４５】
また、上記第１実施例と同様、ボウル１２のスワール下流側位置にはスワールガイド部４０が形成されているが、このスワールガイド部４０は、ボウル１２のスワール下流側に位置する一方の下流側バルブリセス３２を兼用する形となっている。
【００４６】
詳述すると、筒内スワールＳの流れ方向でボウル１２の上流側に位置する上流側バルブリセス３１は、バルブ傾斜角に沿って比較的浅い円形に凹設されており、ボウル１２と部分的に重なっている関係で、略三日月形に現れている。この上流側バルブリセス３１は、２つの面から形成されていて、その平坦な底面１２ａがピストン軸方向でボウル底面１２ａよりも浅い位置に形成されているとともに、その側壁面３１ｂが吸気弁５の弁頭部に対応した円弧状の湾曲面となっている。
【００４７】
一方、スワールＳの流れ方向でボウル１２の下流側に位置する下流側バルブリセス３２は、その底面３２ａが上流側バルブリセス３１の底面３１ａと略同じ深さ位置に形成されているものの、その側壁面３２ｂ（４０ｂ）が、上記第１実施例のスワールガイド部４０のガイド側壁面４０ｂと同様、ボウル１２の周壁面１２ｂに滑らかに接続しているとともに、凸部２１の外周部まで外周側に延長されている。つまり、この側壁面３２ｂは、上流側バルブリセス３１の側壁面３１ｂに比して排気弁側（スワールＳ下流側）へ後退した形となっている。
【００４８】
すなわち、この実施例では、ボウル１２のスワール下流側部分が、スワールガイド部４０と下流側バルブリセス３２とを含む形で、上流側バルブリセス３１よりも広範囲にわたって凹設されている。
【００４９】
このような第２実施例では、吸気弁側傾斜面２２に一対のバルブリセス３１，３２が凹設されているため、吸気上死点付近でも吸気弁５にリフトを与えることが可能となり、均質燃焼時の出力向上を図る場合に有利である。
【００５０】
そして、下流側バルブリセス３２を兼用する形でスワールガイド部４０が凹設されているため、外周側のスワール成分Ｓ１を効率的にボウル１２内へ導入することができ、上記第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
図９〜１１は、本発明の第３実施例に係るピストンを示している。
【００５２】
この第３実施例では、第１実施例のスワールガイド部４０に相当する部分４２を、ボウル１２と滑らかに一体化させた形状となっている。つまり、この実施例では、ボウル１２の周壁面１２ｂとスワールガイド部４２の側壁面４２ｂとが滑らかに連続する非円形の１つの湾曲面に形成されているとともに、ボウル１２の底面１２ａとスワールガイド部４２の底面４２ａとが滑らかに連続する非円形の１つの平坦面に形成されている。
【００５３】
言い換えると、スワールガイド部４２を兼用するように、ボウル１２自体がスワール下流側へ張り出す形に凹設されている。
【００５４】
このような第３実施例によれば、上記第１実施例と同様、スワールガイド部４２の側壁面４２ｂをガイドとして十分な強さのスワールをボウル１２内に導入でき、その燃焼特性が向上する。
【００５５】
そして、この第３実施例では、ボウル１２とスワールガイド部４２とを滑らかに連続する１つの凹部として形成しているため、ピストン鋳造時の加工工数が低減され、その製造が容易になるとともに、ピストン冠面の凹凸が少なくなるので、熱効率的に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る筒内噴射式内燃機関の構成を示す縦断面図。
【図２】シリンダヘッドを下面側から見た状態を示す底面図。
【図３】この発明に係るピストンの第１実施例を示す斜視図。
【図４】第１実施例の作用説明図で、上段が平面図，下段が断面対応図。
【図５】図４と同様、第１実施例の作用説明図。
【図６】この発明に係るピストンの第２実施例を示す斜視図。
【図７】第２実施例の作用説明図で、上段が平面図，下段が断面対応図。
【図８】図７と同様、第２実施例の作用説明図。
【図９】この発明に係るピストンの第３実施例を示す斜視図。
【図１０】第３実施例の作用説明図で、上段が平面図，下段が断面対応図。
【図１１】図１０と同様、第３実施例の作用説明図。
【符号の説明】
４…ピストン
１２…ボウル
１２ｂ…周壁面
２２…吸気弁側傾斜面
２３…排気弁側傾斜面
３１，３２…バルブリセス
４０，４２…スワールガイド部
４０ｂ，４２ｂ…側壁面
Ｓ１…外周側のスワール
Ｓ２…内周側のスワール
【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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