(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気行程中に、それ自身では着火しない主混合気場を形成するための主混合気場用燃料を噴射するとともに、圧縮行程後半に着火用燃料を噴射し、低負荷側の領域では上記着火用燃料の自己着火燃焼をトリガーとして主混合気場を着火燃焼にいたらしめ、高負荷側の領域では点火プラグを用いた上記着火用燃料の火花点火による燃焼をトリガーとして主混合気場を着火燃焼にいたらしめる圧縮自己着火式内燃機関であって、
点火プラグ付近に確保すべき局所混合比を、自己着火燃焼を行う運転領域ではリーンに、火花点火を行う運転領域ではほぼ理論混合比に、それぞれ設定し、この局所混合比が得られるように上記着火用燃料の燃料量を制御することを特徴とする圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項２】
着火用燃料を自己着火させる運転領域と、着火用燃料に火花点火を行う運転領域との境界を、高回転側ほど低負荷側に設定したことを特徴とする請求項１記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項３】
アイドルおよび低回転領域においては、負荷によらず着火用燃料を火花点火により燃焼させることを特徴とする請求項１または２記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項４】
低負荷域においては、着火用燃料が圧縮行程の所定時期に噴射されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項５】
高負荷域においては、着火用燃料がピストン上死点付近において点火されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【請求項６】
着火用燃料の燃料量が、低負荷域よりも高負荷域の方が多いことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧縮自己着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮自己着火式内燃機関、特にガソリンのようなセタン価が低い燃料を用いて圧縮自己着火燃焼を行うようにした圧縮自己着火式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮自己着火式内燃機関の一例として、特開平１０−１９６４２４号公報に記載されているものがある。これは、シリンダ内のピストンとは別に補助圧縮手段としてコントロールピストンを備えており、自着火寸前の高温にいたるまで圧縮された混合気に対し、コントロールピストンによる圧縮をさらに加えることで、上記混合気を一斉に自着火させる構成となっている。
【０００３】
また、点火プラグを備える圧縮自己着火式内燃機関が、特開平１１−２１０５３９号公報に開示されている。この発明においては、特に、圧縮行程末期における筒内のガス温度が、点火すると混合気全体の自己着火をひき起こす目標温度であるかを判断し、吸気弁の開弁時期を制御することにより、圧縮行程末期における筒内のガス温度が上記目標温度に維持されるように制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
圧縮自己着火燃焼は、火炎伝播による燃焼と異なり、局所的な燃焼温度が低く、Ｎｏｘがごく微量にしか発生しないという利点がある。その反面、均質な混合気場においては、筒内全域が一斉に着火にいたるため、負荷の上昇に伴って混合気場を濃くすると、筒内の圧力上昇率が大きくなりすぎ、振動、騒音が大きくなるという問題がある。
【０００５】
従って、自己着火燃焼の負荷を上昇させるためには、着火時期を上死点付近またはそれ以降に設定し、大部分の燃焼を上死点より後の期間に生じさせることにより、筒内の圧力上昇率を小さくする必要がある。しかしながら、着火時期を遅らせた場合の燃焼は、ピストンの下降とともに初期の燃焼が進むため、本質的に不安定な燃焼となりやすい。このため、着火時期はある限度以上には遅らせることができない。
【０００６】
すなわち、自己着火燃焼の負荷を上昇させるためには、着火の時期を遅らせ、かつ安定した着火が得られるよう制御する必要がある。
【０００７】
自己着火燃焼の高負荷域において、特開平１０−１９６４２４号公報記載の技術を適用したとすると、コントロールピストンの圧縮により着火時期は安定する。しかしながら、この方法においては、コントロールピストンを作動させるためのエネルギーが必要となり、燃費の悪化はまぬがれない。特に、冷却損失の影響が大きく燃費が悪化しやすい低負荷領域において、燃費の悪化代が大きくなる。
【０００８】
一方、均質な混合気場において、特開平１１−２１０５３９号公報記載の技術を適用した場合、点火プラグによるアシストにより着火時期は安定する。しかしながら、この方法は、上死点以前に自己着火燃焼を起こすような条件においては有効であるが、上死点付近またはそれ以降に自己着火燃焼を起こしたいとしても、着火位置を遅らせることが不可能であり、結果として、自己着火燃焼の負荷の上昇に対しては効果がないことが、発明者らの実験により確認されている。
【０００９】
また、自己着火燃焼に際して、筒内に局所的に濃い混合気場を形成し、そこから自己着火を開始させ、濃い混合気場からの燃焼により周囲の燃料を自己着火させるようにした成層自己着火燃焼により着火を安定させる方法も考えられる。この成層自己着火燃焼においては、噴射の時期により着火時期が制御されるが、ガソリンなどセタン価の低い燃料を用いる場合、着火の安定性はそれほど高くないため、着火時期を十分に、つまり上死点付近もしくはそれ以降にまで遅らせることはできず、自己着火燃焼の負荷を上昇させる手段としては効果がない。
【００１０】
また、着火用燃料として、軽油などセタン価の高い燃料を用いる構成も考えられる。この場合、着火時期が安定し、燃焼を上死点付近からそれ以降に遅らせることが可能となり、自己着火燃焼の負荷を上昇させることが可能となる。しかしながら、ガソリン機関に適用する場合などは、着火用燃料をガソリンとは別の燃料タンクに入れておく必要があるため、この着火用燃料タンクを付加的に設置するスペースが必要となる。このスペースを最小限にするためには、必要な場合にのみ着火用燃料を噴射することにより、着火用燃料の消費を必要最小限におさえ、着火用燃料タンクを小さくする必要がある。
【００１１】
さらに、自己着火燃焼に際して、筒内に設置された点火プラグまわりに局所的に濃い混合気場を形成し、火花点火により着火させ、この濃い混合気場からの燃焼により周囲の燃料を自己着火させるようにした、スパークアシスト式成層自己着火燃焼という方法も考えられる。この方法によると、負荷の高い領域において、着火時期を必要な程度に、つまり上死点付近もしくはそれ以降にまで、安定して遅らせることができ、自己着火燃焼の負荷を上昇させる手段としては効果があると考えられる。しかしながら、この燃焼方式では、火花点火による火炎伝播を安定させるために、点火プラグまわりの局所的な混合比を理論混合比付近に設定する必要がある。つまり、局所的な混合気場が理論混合比より稀薄であると、点火が安定しないという問題点があり、反対に過濃であると、点火プラグ付近の局所的混合気場からすすや未燃燃料（ＨＣ）が排出される。しかし、負荷の低い自己着火燃焼領域においては、筒内全体の混合比が薄いため、上記のように点火プラグ付近を局所的に理論混合比にしようとすると、点火プラグまわり以外の混合比を極端に稀薄に設定する必要がある。このため、火花点火による着火は安定するものの、筒内全体の混合気場の自己着火が不安定となり、結果として燃焼が安定しないという問題が生じる。また、火炎伝播によるＮｏｘが生成され、かつ筒内全体の混合気場から未燃燃料（ＨＣ）が排出され、排気エミッションが増加するという問題もある。すなわち、スパークアシスト式成層自己着火燃焼は、低負荷領域においては適切な燃焼ではない。
【００１２】
以上により、広い運転領域において安定した自己着火燃焼を実現させ、かつＮＯｘが少ないという自己着火燃焼の本来の利点を最大限に利用するためには、運転条件、特に負荷に応じて、自己着火燃焼の着火を制御する手段を変え、最適で安定した着火時期に制御する必要がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、吸気行程中に、それ自身では着火しない主混合気場を形成するための主混合気場用燃料を噴射するとともに、圧縮行程後半に着火用燃料を噴射し、低負荷側の領域では上記着火用燃料の自己着火燃焼をトリガーとして主混合気場を着火燃焼にいたらしめ、高負荷側の領域では点火プラグを用いた上記着火用燃料の火花点火による燃焼をトリガーとして主混合気場を着火燃焼にいたらしめる圧縮自己着火式内燃機関であって、点火プラグ付近に確保すべき局所混合比を、自己着火燃焼を行う運転領域ではリーンに、火花点火を行う運転領域ではほぼ理論混合比に、それぞれ設定し、この局所混合比が得られるように上記着火用燃料の燃料量を制御することを特徴としている。
【００１４】
すなわち、本発明においては、圧縮行程末期において筒内に主混合気場が形成されるが、この主混合気場は、それ自身では着火に至らない。適当な時期に何らかのトリガー手段による熱あるいは圧力などの刺激が加えられることにより、主混合気場が自己着火燃焼に至る。そして、本発明では、上記トリガー手段としては、着火用燃料の圧縮自己着火もしくは点火プラグを用いた着火用燃料の火花点火による燃焼が、負荷などの機関運転条件に応じて切り換えられる。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
主混合気場は、着火用燃料とは別の吸気行程中の燃料噴射によって予め筒内に形成される。そして、低負荷域では、主混合気場を備えた筒内に、着火用燃料が噴射されることにより、この着火用燃料が自己着火燃焼し、これによって、筒内全域で自己着火燃焼が引き起こされる。また、高負荷域では、噴射された着火用燃料がさらに火花点火され、これによる着火用燃料の燃焼によって、主混合気場が確実に自己着火燃焼に至る。このスパークアシストを利用することにより、負荷の上昇に対応して、着火時期を十分に遅らせたとしても、安定した自己着火燃焼を実現できる。
【００１９】
請求項２に係る発明は、請求項１の発明において、着火用燃料を自己着火させる運転領域と、着火用燃料に火花点火を行う運転領域との境界を、高回転側ほど低負荷側に設定したことを特徴としている。
【００２０】
すなわち、回転数が高くなると、単位クランク角の実時間が短くなり、着火に必要な反応時間が確保できないことから、圧縮自己着火燃焼が不安定となりやすい。従って、点火プラグによるスパークアシストを行う領域を低負荷側に拡大することにより、高回転時にも安定した自己着火燃焼を実現できる。
【００２１】
さらに、請求項３に係る発明は、アイドルおよび低回転領域においては、負荷によらず着火用燃料を火花点火により燃焼させることを特徴としている。
【００２２】
アイドルおよび低回転領域においては、着火に必要な反応時間は十分となるものの、高回転側に比較して、相対的に冷却損失が大きくなり、筒内の温度が不十分となって、自己着火燃焼が不安定化しやすい。そこで、負荷によらず、着火用燃料を火花点火により燃焼させ、安定した自己着火燃焼を実現する。
【００２３】
また、請求項４に係る発明は、低負荷域においては、着火用燃料が圧縮行程の所定時期に噴射されることを特徴としている。この圧縮行程中に噴射された着火用燃料は、前述したように、自己着火燃焼し、筒内全域の自己着火燃焼を引き起こす。
【００２４】
請求項５に係る発明は、高負荷域においては、着火用燃料がピストン上死点付近において点火されることを特徴としている。従って、筒内の主混合気場の自己着火燃焼の大半もしくは全てがピストン上死点後に発生し、筒内の圧力上昇を小さく抑制することが可能となる。
【００２５】
さらに、請求項６に係る発明は、着火用燃料の燃料量が、低負荷域よりも高負荷域の方が多いことを特徴としている。
【００２６】
すなわち、負荷に応じて、必要かつ最小限度の着火用燃料が投入される。
【００２７】
【発明の効果】
この発明によれば、トリガー手段を機関運転条件に応じて切り換えることにより、機関回転数や負荷によらず広い運転領域において、安定して燃費が良く、かつＮｏｘが少ない自己着火燃焼が実現できる。
【００２８】
特に、低負荷側の領域で、トリガー手段として、筒内における局所的な自己着火燃焼を利用すれば、圧縮自己着火燃焼本来のＮＯｘの少ない燃焼が実現できる。
【００２９】
また、高負荷側の領域で、トリガー手段として、火花点火燃焼を利用すれば、圧力上昇を抑制すべく着火時期を大きく遅らせるような場合でも、着火時期が安定し、安定した自己着火燃焼が実現できる。
【００３０】
【００３１】
また請求項２の発明によれば、反応時間が短く着火性が悪い高回転側においても、広い負荷範囲において安定した自己着火燃焼が実現できる。
【００３２】
請求項３の発明によれば、冷却損失により着火性が悪化するアイドルなど低回転側においても、安定した自己着火燃焼が実現できる。
【００３３】
請求項４の発明によれば、低負荷域において着火時期を安定させることができ、結果として熱発生時期を燃費の良い最適な時期に制御することが可能となり、燃費の良い安定した自己着火燃焼が実現する。
【００３４】
請求項５の発明によれば、高負荷域において、筒内の圧力上昇率を小さくすることが可能となり、自己着火燃焼の負荷を上昇させることが可能となる。
【００３５】
請求項６の発明によれば、各負荷において必要かつ最小限度の着火用燃料を投入することにより、安定してＮＯｘの排出の少ない自己着火燃焼が実現できる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明をガソリンを燃料とする圧縮自己着火式内燃機関として構成した実施の形態の構成図である。
【００３７】
この内燃機関は、シリンダヘッド１０およびシリンダブロック１１を有し、シリンダ１２内に配置されたピストン１３によって画成された燃焼室３に対し、点火プラグ１と燃料噴射弁２とが設けられている。上記燃焼室３には、吸気弁１４によって開閉される吸気ポート４と、排気弁１５によって開閉される排気ポート６とが接続されており、吸気ポート４上流には、吸入空気量を計測する吸入空気量測定装置５が設けられている。また、内燃機関のクランク角を検出するクランク角センサ７と、負荷に相当するアクセル開度を検出するアクセル開度センサ８と、を備え、これらのセンサ類の検出信号が、エンジンコントロールユニット９に入力されている。エンジンコントロールユニット９は、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁２の噴射時期、噴射量、ならびに点火プラグ１の点火時期、などを制御している。この実施の形態では、上記燃焼室３は、シリンダヘッド１０下面とピストン１３上面との間に形成される燃焼室部分３ａと、ピストン１３の冠面凹部により形成される燃焼室部分３ｂと、から構成されており、上記燃料噴射弁２は、冠面凹部からなる燃焼室部分３ｂへ向けて燃料を噴射するようにシリンダ１２の中心付近に配置されている。
【００３８】
図２は、この実施の形態における制御の流れを示すフローチャートであり、以下、これに沿って、上記内燃機関の作動を説明する。まず、ステップ１において、クランク角センサ７の出力信号から機関回転数Ｎｅが計算され、アクセル開度センサ８の検出信号から負荷Ｔｅが計算される。さらに、ステップ２において、吸入空気量測定装置５の検出信号から吸入空気量Ｑａｉｒが求められる。
【００３９】
次に、ステップ３において、図３に示すような特性の所定のマップに基づき、機関回転数Ｎｅと負荷Ｔｅとから、筒内全体の混合比ＡＦａｌｌが決定される。この筒内全体の混合比ＡＦａｌｌは、筒内が均一な混合比であるとみなしたときに必要な要求混合比である。さらに、ステップ４において、ＡＦａｌｌとＱａｉｒより、必要な総燃料噴射量Ｑａｌｌが計算される。具体的には、Ｑａｌｌ＝Ｑａｉｒ／ＡＦａｌｌとして求める。
【００４０】
次に、ステップ５において、図４に示すような特性の所定のマップに基づき、機関回転数Ｎｅと負荷Ｔｅとから、点火プラグ１付近に確保すべき局所混合比ＡＦ２が決定される。図４に示すように、火花点火を行う高負荷側の領域では、局所混合比ＡＦ２は、理論混合比である。火花点火を行わない低中負荷領域では、局所混合比ＡＦ２は理論混合比よりも希薄であり、かつ低負荷側ほど希薄となる特性となっている。
【００４１】
ステップ６においては、２つの燃焼室部分３ａ，３ｂの容積比、特にピストン上死点における燃焼室容積比（Ｖ３ｂ／Ｖ３ａ）が読み出される。これは、設計値から定まるものであり、エンジンコントロールユニット９に与えられた既知の値となる。
【００４２】
そして、ステップ７において、上記の吸入空気量Ｑａｉｒ、総燃料噴射量Ｑａｌｌ、局所混合比ＡＦ２および燃焼室容積比（Ｖ３ｂ／Ｖ３ａ）に基づいて、必要な着火用燃料量Ｑ２が計算される。具体的には、次式によって算出される。
【００４３】
【数１】
Ｑ２＝（Ｖ３ｂ／Ｖ３ａ）＊（Ｑａｉｒ／ＡＦ２−Ｑａｌｌ）
次に、ステップ８において、総燃料噴射量Ｑａｌｌから上記の着火用燃料量Ｑ２を減じたものとして、主混合気場用燃料量Ｑ１が求められる。
【００４４】
さらに、ステップ９において、図５に示すような特性の所定のマップに基づいて、機関回転数Ｎｅと負荷Ｔｅとから、着火用燃料を噴射すべき着火用燃料噴射時期ＩＴ２が決定される。ここで、図５に示すように、火花点火を行う高負荷側の領域では、着火用燃料噴射時期ＩＴ２は一定であり、火花点火を行わない低中負荷領域では、負荷の上昇に伴って進角する特性となっている。なお、火花点火を行う高負荷域において、着火用燃料による局所混合気がピストン上死点付近となる所定の点火時期より以前に自己着火燃焼しないように、この火花点火運転領域における着火用燃料噴射時期ＩＴ２は、火花点火しない低中負荷域における着火用燃料噴射時期ＩＴ２よりも遅角側に設定されている。
【００４５】
最後に、ステップ１０において、そのときの機関回転数Ｎｅおよび負荷Ｔｅにより、着火用燃料に火花点火による点火を行うか否かを判断する。ここで火花点火すべき運転領域であれば、ステップ１１に進み、その設定点火時期において火花点火を実行する。また、火花点火をしない運転領域であれば、特に積極的な着火促進は行わず、これによりステップ１２として示すように、着火用燃料は自己着火燃焼することになる。
【００４６】
実際の機関のサイクルにおいては、まず吸気行程中に、燃料噴射弁２から主混合気場用燃料（Ｑ１）が噴射される。この燃料は、吸気と混合されることにより、筒内に均一な主混合気場が形成される。この主混合気場の混合比は、ピストン圧縮上死点付近、すなわち圧縮行程末期において、それ自身では着火しない程度に稀薄に設定される。続いて、圧縮行程後半において、着火用燃料（Ｑ２）が着火用燃料噴射時期ＩＴ２に噴射される。機関回転数Ｎｅおよび負荷Ｔｅに基づいて、火花点火を行うべき運転領域であると判断されれば、着火用燃料の噴射量Ｑ２は、燃焼室３ｂの局所混合比ＡＦ２がほぼ理論混合比になるよう設定される。また、火花点火を行わない場合は、局所混合比ＡＦ２は、理論混合比よりも希薄に、おおよそ理論混合比の２倍程度希薄に設定される。このように設定することにより、低負荷域においては、着火用燃料の自己着火燃焼により主混合気場の自己着火燃焼が開始し、高負荷域においては、着火用燃料の火花点火による火炎伝播により主混合気場の自己着火燃焼が起こる。
【００４７】
機関回転数Ｎｅの上昇に伴い、着火に必要な反応時間が短くなるため、自己着火燃焼の着火が安定しなくなり、自己着火燃焼の安定性が悪化する。従って、この実施の形態では、図４および図５に示すように、着火を安定させるため、火花点火に切り換えられる境界となる負荷が、機関回転数Ｎｅが高くなるほど低負荷側となるように設定されている。
【００４８】
また、アイドルなどの低回転領域においては、着火に必要な反応時間は十分であるが、高回転側と比較して相対的に冷却損失が大きくなり、筒内から外部へ熱が逃げてしまうため、筒内の温度が不十分となり、自己着火燃焼が安定しなくなる。従って、この実施の形態では、図４および図５に示すように、アイドルを含む所定の低回転域においては、負荷に関係なく、火花点火が行われる。これにより、確実に主混合気場の自己着火燃焼が生じ、安定した自己着火燃焼を実現できる。
【００４９】
次に、図６は、この発明の第２の実施形態の構成図を示す。
【００５０】
この実施の形態は、ピストン１３が冠面凹部を具備しておらず、冠面がほぼ平坦となっている。そして、シリンダヘッド１０側に例えばペントルーフ型の燃焼室が凹設されている。そして、燃料噴射弁２は、点火プラグ１付近へ燃料を噴射するように、例えばシリンダ１２の上部における吸気ポート４下方位置に配置されている。
【００５１】
このような機関に本発明を適用する場合は、前述の着火用燃料量Ｑ２を算出する際に、燃焼室３内を、点火プラグ１まわりの仮想の燃焼室部分３ｂと、それ以外の燃焼室部分３ａとに区分して、燃焼室容積比（Ｖ３ｂ／Ｖ３ａ）を決定すればよい。厳密に燃焼室が分割される訳ではないが、仮想的に燃焼室を二つに分けてそれぞれの混合比を最適化することにより、前述した実施の形態の場合と同様に、回転数や負荷によらず安定した自己着火燃焼が実現できる。
【００５２】
本発明は、上記の第１の実施の形態に示すようなピストン冠面に凹部を有する一般的な直噴式ディーゼル機関や直噴式成層ガソリン機関、あるいは第２の実施の形態に示すようなピストン冠面に凹部を持たない一般的なガソリン機関など、多くの既存の設計の内燃機関に対し、僅かな変更でもって容易に適用することができる。従って、全く新規に内燃機関を設計製造する場合に比較して、低コストに実現できる利点がある。
【００５３】
図７は、この発明の第３の実施の形態の構成図を示す。
【００５４】
【００５５】
【００５６】
【００５７】
【００５８】
この実施の形態においては、主たる燃料を噴射する燃料噴射弁２とは別に、トリガー手段となる着火専用の異種燃料のみを噴射する着火専用燃料噴射弁３１が設けられている。主たる燃料としては、ガソリンのような低セタン価の燃料が用いられ、着火専用の異種燃料としては、例えば軽油のようなセタン価の高い燃料が用いられる。
【００５９】
高負荷域においては、燃料噴射弁２による主たる燃料の噴射により、筒内に主混合気場が形成される。そして、圧縮行程中の所定の時期に、着火専用燃料噴射弁３１から着火専用の異種燃料が噴射される。この着火専用燃料は、着火しやすい成分のものとすることにより確実に自己着火燃焼し、これにより、主混合気場の自己着火燃焼が引き起こされる。低負荷域においては、他の実施の形態と同様に、燃料噴射弁２から主たる燃料と同一の燃料が着火用燃料として噴射され、この着火用燃料の自己着火燃焼により、筒内全体の主混合気場が自己着火燃焼に至る。
【００６０】
この実施の形態では、主混合気場を形成する主たる燃料とは異なる着火専用の異種燃料を用いることから、異種燃料用の燃料タンクが別途必要となるが、この着火専用燃料が高負荷域でのみ消費されるので、着火専用燃料の燃料タンクを必要最小限の大きさとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る内燃機関の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】  この実施の形態の制御の流れを示すフローチャート。
【図３】  筒内全体の混合比ＡＦａｌｌの特性を示す特性図。
【図４】  局所混合比ＡＦ２の特性を示す特性図。
【図５】  着火用燃料噴射時期ＩＴ２の特性を示す特性図。
【図６】  この発明に係る内燃機関の第２の実施の形態を示す構成図。
【図７】  この発明に係る内燃機関の第３の実施の形態を示す構成図。
【符号の説明】
１…点火プラグ
２…燃料噴射弁
３…燃焼室
５…吸入空気量測定装置
７…クランク角センサ
８…アクセル開度センサ
９…エンジンコントロールユニット
３１…着火専用燃料噴射弁
【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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