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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.51 No.5 pp.139-147
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2017.51.5.139

Combustion Characteristics of Farm Heater with Waste Lubricating Oil

Eok Kyu Kang, Tae Han Kim*
School of Agricultural Civil & Bio-industrial Machinery Engineering, Kyungpook National University, Daegu, 41566, Korea
Corresponding author : Tae Han Kim +82-53-950-5793+82-53-950-6780thakim@knu.ac.kr
20170411 20170825 20170918

Abstract

Area of greenhouse cultivation is 52,526 ha and the area of greenhouse heating is 5,878 ha in Korea. The area of greenhouse heating with petroleum is 5,878 ha and that has between 84 percent of the total area of greenhouse heating. In the case of vegetables and flowers grows with farm heater in winter, the heating cost of greenhouse has above 40 percent of the total production costs. The amount of waste lubrication oil is 249,965 kL and the amount of recovery waste lubrication oil is 197,469 kL. The recovery rate of waste lubrication oil is 79 percent in 2015 years. Also, the amount of recyclable waste lubrication oil is 195,691 kL and the rate of that is 99 percent in 2015 years. Therefore, the reuse of waste lubrication oil is very important in greenhouse heating with the view of the increase of the income of farmers. This studies conduct on analysis of possibility of the use of waste lubrication oil as farm heater fuel. As the result, the combustion gas temperature of farm heater as use of waste lubrication oil is higher 6.1 percent than that of heavy oil and 3.1 percent than that of light oil.


폐윤활유를 이용한 농용 난방기 연소특성

강 억규, 김 태한*
경북대학교 농업토목·생물산업공학부

초록

우리나라 시설 재배면적은 2015년 기준 52,526ha이고 이 중 난방면적은 15,878ha이다. 이중 석유를 이용하여 난방하는 온실 면적은 13,314ha로서 전체 난방면적의 84%를 차지하고 있다. 고가의 시설비가 투자된 자동화 온실에서 겨울철에 난방기를 사용하여 채소 및 화훼류를 재배할 경우 생산비 중에 난방 비가 차지하는 비중이 40%를 웃돌고 있다. 우리나라의 폐윤활유 발생량은 2015년에는 249,965kL이고 이중 회수량은 197,469kL로서 발생량의 79% 수준이다. 또한 회수한 폐윤활유의 재활용량은 2015년 기 준 195,691kL로서 재활용율이 99%에 달한다. 그러므로 저가의 대체연료 사용에 따른 농가 소득 증대의 관점에서 볼 때 시설난방에 폐윤활유를 사용하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구는 폐윤활유를 농용 난방기의 연료로서의 사용 가능성을 분석하고자 하였다. 연구결과 농용 난방기의 연소 가스온도는 폐윤활유를 연료로서 사용하였을 때가 중유를 연료로서 사용했을 때에 비해 평균 6.1%, 경 유를 연료로 사용하였을 때보다 평균 3.1% 높게 나타났다.


    서론

    우리나라 시설 재배면적은 2015년 기준 52,526ha 이고 이 중 난방면적은 15,878ha이다. 이중 유류를 이용하는 난방면적은 13,314ha로서 전체 난방의 84% 를 차지하고 있다(http://www.mafra.go.kr, 2015). 고가의 시설비가 투자된 자동화 온실에서 겨울철에 난방기를 사용하여 채소 및 화훼류를 재배할 경우 생산비 중에 난방비가 차지하는 비중이 40%를 웃돌 고 있다. 국제유가가 배럴당 10달러 상승한다면 시 설채소 농가의 경영비가 12~18% 증가하고 소득 감 소율은 시설고추 경우 15%, 시설토마토 12%, 시설 오이는 18%가 되므로 농가 경영에 큰 영향을 미치 게 된다(Jung at al., 2008). 기존의 시설 농가에 많이 보급되어 있는 경유용 온풍 난방기는 최근 급증 한 유가로 인해 난방비 부담이 더 많은 비중을 차지 하게 되었다. 그러므로 에너지 자원의 다양성, 저가 의 대체연료 개발 등 에너지 측면, 농가소득증대, 농 촌 경제 활성화 등 농업적 측면에서도 폐윤활유 활용 은 중요하다고 할 수 있다. 우리나라의 폐윤활유 발 생량은 2015년에는 249,965kL이고 이 중 회수량은 197,469kL로서 발생량의 79% 수준이다. 또한 회수한 폐윤활유의 재활용량은 2015년 기준 195,691kL로서 재활용률이 99%에 달한다(http://www.kloia.or.kr, 2015). 미국의 연간 폐유 발생량은 10억 갤런이고 재정제해서 윤활유로 사용하는 것과, 박용디젤기관 연료로 사용하는 것, 비처리 상태로 연료로 소비하는 것 등 크게 세 가지로 범주로 사용 된다(Boughton & Horvath, 2004).

    폐유의 연료 특성에 관한 연구로서 폐유류 중 발 생량이 많은 7종을 대상으로 인화점, 비중 등 물리 적인 성질과 열량분석, 성분분석을 실시하여 연료로 서의 이용 가능성을 조사하였다(Doh et al., 1990). 또한 폐윤활유는 소형보일러, 증기 보일러, 분무버 너 보일러, 시멘트 가마의 에너지원으로 이용 가능 하다고 하였다(Kanokkantapong et al., 2009).

    폐윤활유의 기관 연료화 기술에 관한 연구로서 페 윤활유를 열분해법에 의해 디젤연료로 전환하는 연 구를 수행한 결과 밀도, 점도, 인화점, 황성분, 발열 량 등 물리적인 성질이 경유와 유사하다고 하였다 (Demirbas et al., 2015). 고점도인 폐유를 난방연 료로 대체하기 위해 폐유에 희석 용제로서 경유, 벙 커C유를 이용하여 일정 비율로 혼합한 후 연료 특성 을 분석한 연구가 있다(Jin & Chung, 2009). 폐윤 활유를 고온에서 열분해하여 얻은 폐유가솔린(waste oil gasoline)은 가솔린 보다 옥탄가가 높고 인화점 은 낮다고 하였고, 열분해 온도를 높이면 폐유가솔 린도 더 많이 생산된다고 하였다(Demirbas, 2008). 폐유의 처리 공정에서 화학적 침전처리공정의 단점을 보완하기 위하여 소량의 화학물질과 분리막을 사용 하여 연속처리 공정을 개발한 연구보고가 있다(Kim et al., 2000). 디젤기관으로부터 배출된 폐윤활유 를 열분해공정과 연소 공정을 통해 처리공정 변화에 따른 생성물의 성분을 분석한 결과 휘발성분이 30%, 반휘발성분이 70%로서 두 처리공정 모두 비슷하다 고 하였다(Fuentes et al., 2007).

    기관용 연료로서의 연소기술에 관한 연구로서 Al- Omari(2008)는 소형 연소로에 폐윤활유와 액화석유 가스를 동시에 연소시킨 결과 복사열전달율이 크게 향상 되었으며 디젤연료와 액화석유가스를 동시에 연소시키는 것 보다 열전달율이 더 높게 나타났다고 하였다. 또한 자동차 폐엔진오일 소각기 개발에 관 한 연구로서 소각기는 연소실, 버너부, 연료 공급부 및 연료탱크부로 구성하고 분무 미립화와 연소시의 유해가스 성분을 분석한 연구가 있다(Kim et al., 1995; 1997). 이 연구에서 사용한 폐엔진 오일은 카 센터에서 수거하여 정제하지 않고 사용하였다. Kim et al.(2002)은 유동층에서 폐유 연소시 열전달 특 성에 관한 연구를 수행하여 폐유 연소를 위한 유동 층 연소로의 적정한 조업조건 결정과 연소로 설계 및 Scal-up을 위한 기초 자료를 제공하였다. 폐유는 재생처리 하여 연료 및 윤활유로 변환이 가능하다.

    폐윤활유로 얻은 연료를 기관의 연료로 사용하여 기관성능과 배가스 분석에 관한 연구로서 Arpa & Yumrutas(2010)는 윤활유로부터 얻은 폐유가솔린을 연료로 사용하여 가솔린기관의 출력성능과 배가스 특성을 시험한 결과 제동출력, 제동평균유효압력, 제동열효율, 연료소비율이 우수하였고 CO는 증가하 였으나 HC는 감소한다고 하였다. 폐윤활유로부터 얻 은 폐유가솔린과 테레핀유를 혼합한 연료를 사용하 여 가솔린기관의 출력성능과 배가스 특성을 시험한 결과 축토크와 제동평균유효압력, 열효율은 테레핀 유의 혼합비를 증가시키면 증가하였으나 제동연료소 비율은 감소하였고 폐유가솔린에 테레핀유 혼합비를 증가시키면 NOx는 증가하였으나 CO는 감소한다고 하였다(Arpa et al., 2010). Behera & Murugan (2013)는 공랭식 직접 분사식 디젤 기관의 연료로서 폐변압기유를 사용하여 시험한 결과 점화지연은 경 유에 비해 폐변압유가 더 지연되었고, 경유에 폐변 압기유의 혼합비가 증가할수록 더 감소한다고 보고 하였다. 또한 제동연료 소비율은 경유, 폐변압기유 및 경유와 폐변압기유 혼합연료 모두 비슷하였다. 배 가스로서 Nox, CO, HC는 경유보다 폐변압기유가 더 많이 배출되었다고 하였다. Naima & Liazid(2103)는 폐식용유, 폐윤활유, 폐플라스틱유 등 3가지 폐유를 대상으로 디젤 연료로서의 물리적 특성을 비교하였 고, 기관 출력 특성과 배가스 성분을 분석하였다.

    그리고 경제성 분석으로서 Singhabhandhu & Tezuka (2010)는 폐식용유, 폐윤활유, 폐플라스틱유 등 3가 지 폐기물을 대상으로 원료 수집에서부터 에너지로 의 변환까지의 각 공정에 소요되는 비용을 정밀하게 분석한 결과 에너지 생산과 경제성 관점에서 볼 때 폐기물의 통합 처리가 아주 효과적이라고 하였다.

    기존의 폐윤활유에 관한 연구로서는 폐유의 연료 특성에 관한 연구, 폐윤활유의 기관 연료화 기술에 관한 연구, 기관용 연료로서의 연소기술에 관한 연 구, 폐윤활유로 얻은 연료를 기관의 연료로 사용하 여 기관성능과 배가스 분석에 관한 연구 등이 대부 분이었다.

    따라서 본 연구는 농업 부분에서 가장 많은 석유 연료를 소비하고 있는 농업용 난방기의 대체연료로 서 폐윤활유를 사용하였을 때의 연소특성을 구명하 여 농용 난방기의 연료로서의 사용 가능성을 분석하 고자 하였다.

    재료 및 방법

    농용 난방기의 연료로서 폐유 사용의 가능성을 평 가하기 위해 기존의 250,000kcal/h 용량의 중유용 난방기(TKPB-2500-1, Taekwang, Daegu, Korea) 를 공시기로 사용하였다. 또한 본 시험에 사용한 공 시 연료의 물성을 Table 1에 나타내었다. 폐윤활유 는 탄소, 수소, 질소 성분이 중유, 경유와 비슷하고 발열량도 비슷하다. 또한 폐윤활유는 Cd, Cr, Pb, As 등 금속성분이 미량 내포되어 있다.

    연소가스 온도 측정은 다점온도 측정장치(Memory Hilooger 5422–51, HIOKI E.E CO, Japan)를 사용 하였으며 K타입의 열전대를 사용하였다. 난방기 연 소실 내의 온도 측정 위치는 ch1 ~ ch16 의 16점을 측정하였다. Fig. 1은 난방기내의 연소가스 측정점 을 나타낸 것이다. Fig. 1에서와 같이 연소로에서 방출된 연소가스는 열교환기의 1열(1st tube)에서 3 열(3rd tube)로 흐르고, 또 다른 한편으로는 2열(2nd tube)에서 4열(4th tube)로 흘러 배기구를 통해 배 출된다. 따라서 1열과 3열에는 상대적으로 낮은 온 도의 배기가스가 2열과 4열에는 상대적으로 높은 열 의 배기가스가 지나게 된다. 따라서 각각의 조건(분 사압력, 연료온도, 연료종류)에 따라 연소가스 온도 분포 결과를 1열→3열, 2열→4열 두 가지로 나누어 분석하였다.

    Figure 2는 연소가스 온도를 측정하기 위해 난방 기의 연소실과 연교환기 튜브에 열전대를 부착한 모 습을 나타낸 사진이다.

    공시 연료의 동점도 산출을 위해 점도계(LVDVII+ Pro, Brookfield Engineering Lab. USA)를 이 용하였다. 측정은 시료를 비이커에 담은 후 가열하면 서 절대 점도를 측정하였다. 그리고 밀도는 메스실린 더 내에 시료를 넣고 가열하면서 체적과 무게를 측정 하였다. 동점도는 절대점도를 밀도로 나누어서 구하 였다. 배기가스 측정은 난방기 배기구에서 30cm 떨 어진 위치에 배가스분석기(HG-550, HEPHZIBAH DIGITEK CO, Korea)와 연소분석기(KM9104, Kane- May, Japan) 두 가지 계측장치를 설치하여 연소온 도 측정과 동시에 배가스 성분을 측정하였다. 이 분 석기는 배기가스에 적외선을 비추어 투과강의 강도 를 전기적으로 처리하여 성분의 농도를 분석하는 장 치이다. 연료소비량은 시료를 담은 연료 탱크를 저 울 위에 올려놓고 난방기를 운전하는 동안에 연료탱 크의 무게와 시간을 측정하여 산출하였다.

    본 실험은 250000kcal/h 용량의 중유용 난방기를 이용하여 공시 연료(Light oil, Heavy oil, Waste lubricating oil)를 사용하여 연료분사압력과 연료예 열온도를 변화시켰을 때의 각 측정 점의 연소가스 온도를 5회 반복 측정하여 평균하였다.

    결과 및 고찰

    1.동점도 특성

    Figure 3에 온도변화에 따른 공시연료의 밀도 변 화를 그래프로 나타내었다.

    Figure 3에 따르면 25℃일 때를 기준으로 폐윤활 유의 밀도는 828.8㎏/㎥, 중유의 밀도는 864.1㎏/㎥, 경유의 밀도는 827.2 ㎏/㎥로 경유의 밀도가 가장 낮고, 폐윤활유의 밀도는 경유보다 0.2% 높고, 중 유 보다는 4.1% 낮은 것으로 확인되었다. 연료의 온도가 증가하면 점도는 점점 감소하는 것을 알 수 있다.

    Figure 4에서와 같이 25℃에서 폐윤활유의 동점 도는 40.6cSt, 중유는 8.7cSt, 경유는 4.5cSt로서 폐윤활유의 동점도는 중유에 비해 4.5배 높고, 경우 에 비해 9배 높게 나타났으나 온도 83℃에서는 폐 윤활유의 동점도가 4.7cSt, 중유는 2.2cSt, 경유는 2.1cSt 로서 폐윤활유의 동점도가 중유에 비해 약 2 배, 경유에 비해 2.2배 높게 나타났다.

    2.농용난방기 연소가스의 온도분포

    온도 75℃, 연료분사압력 25Pa의 조건에서 경유, 중유, 폐윤활유를 연료로 사용했을 때의 연소가스 온도 분포를 Fig. 5, 6에 나타내었다. Fig. 5는 연 소실의 연소가스 온도와 열교환기 1열, 3열의 연소 가스 온도분포를, Fig. 6은 열교환기 2열, 4열의 연 소가스의 온도 분포를 나타낸 것이다. Fig. 5의 경 우 농용난방기 연료로서 폐윤활유를 사용하였을 때 가 중유, 경유를 연료로 사용 했을 때 보다 연소가 스의 온도가 각각 평균 7.3%, 4.6% 높게 나타났고 Fig. 6의 경우는 각각 4.9%, 4.1% 높게 나타났다. 따라서 Fig. 5, 6의 결과를 평균하면 폐윤활유를 연 료로서 사용하였을 때의 연소가스 온도는 중유를 연 료로 사용했을 때보다 평균 6.1%, 경유를 사용하였 을 때보다 평균 3.1% 높게 나타남을 확인할 수 있 었다. 이는 폐윤활유가 중유, 경유보다 발열량이 높 기 때문인 것으로 생각된다.

    Figure 7, 8은 폐윤활유를 연료로서 사용하여 연 료분사압력을 25Pa로 일정하게 하고 연료의 온도를 75℃, 115℃, 160℃로 변화시켰을 때의 연소가스의 온도분포를 나타낸 것이다. Fig. 7은 열교환기 1, 3 열의 연소가스 온도를, Fig. 8은 2, 4열의 연소가스 온도를 측정한 결과이다.

    Figure 7의 경우 연료 온도 75℃일 때가 115℃일 때에 비해 2%, 160℃일 때에 비해 2.5% 연소가스온 도가 높게 나타났다. 또한 Fig. 8의 경우도 연료 온 도 75℃일 때가 115℃일 때에 비해 4%, 160℃일 때 에 비해 4.4% 연소가스 온도가 높게 나타났다. 따 라서 Fig. 7, 8의 결과를 평균하면 연소가스의 온도 는 연료 온도가 75℃일 때가 연료 온도가 115℃일 때에 비해 2.9%, 연료 온도 160℃일 때에 비해 3.5%로 높게 나타났다. 이는 폐윤활유를 농용 난방 기의 연료로서 사용할 때, 연료의 온도는 75℃가 적 정함을 의미한다.

    폐윤활유를 농용 난방기의 연료로 사용하여 연료 온도를 75℃로 일정하게 하고 연료의 분사압력을 25Pa, 30Pa, 35Pa으로 변화시켜서 분사압력변화에 따른 연소가스의 온도 분포를 Fig. 9, 10에 나타내 었다. Fig. 9는 열교환기의 1열, 3열의 연소가스 온 도분포를, Fig. 10은 열교환기의 2열, 4열의 연소가 스의 온도 분포를 나타낸 것이다.

    Figure 9의 경우 연료분사압력이 35Pa일 때는 30Pa의 압력으로 연료를 분사하였을 때 보다 연소 가스 온도는 19.9%, 25Pa로 연료를 분사하였을 때 보다는 26.4% 높게 나타났다. 또한 Fig. 10의 경우 도 연소가스의 온도는 연료분사를 35Pa의 압력으로 연료를 분사했을 때는 30Pa의 압력으로 연료를 분 사하였을 때 보다 7.6%, 25Pa로 연료를 분사하였을 때 보다는 18.4% 높게 나타났다.

    위 결과들의 평균을 구하면 폐윤활유의 연료분사 압력을 35Pa로 분사했을 때는 30Pa로 분사하였을 때 보다 7.6%, 25Pa의 압력으로 연료를 분사하였을 때 보다 19.2% 연소가스 온도가 높게 나타났다. 한 편 Fig. 9, 10에서와 같이 연료 분사 압력이 35Pa 일 때, 연소실에서의 연소 가스 온도는 다소 낮으나 연소실 출구에서부터 배출구까지의 연소가스 온도는 높게 나타났다. 이는 연료의 분사 압력이 높아짐에 따라 미립화된 연료가 연소실 출구측으로 밀려나기 때문인 것으로 생각한다. 또한 그림에서와 같이 연 료분사압력이 높으면 연소 가스 온도는 높으나 농용 난방기의 내압 설계·제작면에서 한계가 있을 것으 로 생각한다.

    3.배기가스 성분 분석

    폐윤활유를 농용 난방기 연료로서 사용할 경우, 기존에 많이 사용하고 있는 연료인 경유와 중유를 사용할 때와 비교하여 배기가스 성분이 어떻게 변화 하는가를 나타낸 것이 Fig. 11이다.

    시험은 연료 온도 75℃, 연료분사압력 25Pa의 조 건에서 시험한 결과이다. 폐윤활유를 연료로서 사용 하였을 때, Nox는 경유, 중유에 비해 18.0% 높게 나타났고, CO2는 경유에 비해 12.0% 낮으나 중유에 비해서는 18.4% 높게 나타났다. CO는 경유에 비해 32.3%, 중유에 비해 25.0% 낮게 나타났다. O2는 경 우 경유에 비해 33.7% 높고 중유에 비해 10.9% 낮 게 나타났다. 폐윤활류 사용 시 Nox가 경유, 중유 에 비해 높게 나타나는 것은 연소가스의 온도가 높 기 때문이라고 판단한다.

    Figure 12는 연료 예열온도를 75℃로 일정하게 하고 연료분사압력 25Pa, 30Pa, 35Pa로 변화시켰 을 때의 배기가스 특성을 나타낸 것이다. Nox, CO2, CO는 연료분사 압력이 높으면 증가하는 반면 O2는 연료분사 압력이 높으면 감소하는 것으로 나타 났다. 연료분사압력이 높으면 Fig. 9, 10의 결과에 서와 같이 연소가스 온도가 높아지기 때문에 Nox 배출량이 증가되는 것으로 생각한다. 연료분사압력 증가 따른 CO 배출량의 증가는 연료 분사압력이 증 가함에 따라 분사되는 연료의 양이 증가하나 이를 연소시키는데 필요한 산소가 적정하게 공급되지 않 아서 CO가 증가되는 것으로 판단된다. 따라서 농용 난방기의 연소효율 향상을 위해서는 연소 제어시스 템이 필요하다고 생각한다.

    4.연료소비량

    농용 난방기 연료로서 폐윤활유를 사용할 경우, 기존에 많이 사용하고 있는 경유와 중유를 사용할 때와 비교하여 연료소비량이 어떻게 변화하는가를 나타낸 것이 Fig. 13이다. 시험은 연료 온도 75℃, 연료분사압력 25Pa의 조건에서 시험한 결과이다. 연료소비량은 폐윤활유가 18.5L/hr, 중유가 16.3L/hr, 경유가 16.8L/hr로 나타났다. 위 결과에 따르면 폐 윤활유를 연료로서 사용할 때 연료소비량은 중유를 연료로서 사용하는 것 보다 13.5% 많다는 것을 확 인할 수 있었다. 그러나 비용적인 측면으로 볼 때 중유는 정제된 폐윤활유에 비해 가격이 30% 이상 높기 때문에 폐윤활유를 연료로서 사용하는 것이 경 제적임을 확인할 수 있다. 또한 폐윤활유의 연료소 비량이 경유의 연료소비량보다 10.1% 높게 나타났으 나 비용측면을 고려해보면 경유는 정제된 폐윤활유 의 가격에 비해 70% 이상 높으므로 폐윤활유를 연 료로서 사용하는 것이 상대적으로 비용을 줄일 수 있음을 확인할 있다.

    감사의 글

    본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림수산 식품기술기획평가원의 농림축산식품연구센터사업의 지원을 받아 연구되었음(716001-07).

    Figure

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    Diagram of heat flow in farm heater and positions of thermocouple probes.

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    Picture of thermocouple probes.

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    Comparison of density according to fuel.

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    Comparison of kinematics viscosity according to fuel.

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    Comparison of gas temperature according to fuel.(1st tube to 3rd tube, 25Pa, 75℃)

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    Comparison of gas temperature according to fuel.(2nd tube to 4th tube, 25Pa, 75℃)

    JALS-51-139_F7.gif

    Comparison of gas temperature according to pre-heat temperature of fuel.(1st tube to 3rd tube, 25Pa, waste lubricating oil)

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    Comparison of gas temperature according to pre-heat temperature of fuel.(2nd tube to 4th tube, 25Pa, waste lubricating oil)

    JALS-51-139_F9.gif

    Comparison of gas temperature according to fuel injection pressure.(1st tube to 3rd tube, 75℃, waste lubricating oil)

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    Comparison of gas temperature according to fuel injection pressure.(1st tube to 3rd tube, 75℃, waste lubricating oil)

    JALS-51-139_F11.gif

    Characteristic of exhaust gas in various kinds of fuel.

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    Characteristic of exhaust gas in various kinds of pressure.

    JALS-51-139_F13.gif

    Fuel-consumption of sample fuel.

    Table

    Physical properties of various oil

    Reference

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