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CFD - Mecánica de Fluidos Computacional en aplicaciones navales
 

El término CFD proviene de las siglas del inglés “Computational Fluid Dynamics”, lo cual se traduce al castellano como “Mecánica de Fluidos Computacional”. Es una rama de mecánica de fluidos que utiliza procedimientos numéricos por ordenador para resolver las ecuaciones gobernantes de los flujos. En el mercado existen numerosos softwares de CFD tales como Fluent, FIDAP, Star-CD, FLOW3D, OpenFOAM, etc.


Básicamente, la metodología de CFD se basa en subdividir el dominio de cálculo en elementos discretos formando una malla en la cual las ecuaciones diferenciales gobernantes son resueltas.

Entre los temas de aplicación Navales para la simulación CFD podríamos enumerar las siguientes:

1-      Diseño de Propulsores Navales:

Malla 3D de un propulsor Marino. Ref. [3]


Resultado de simulación CFD de un propulsor marino, campo de Velocidades y de Presiones. Ref. [1]

2-      Diseño de modelos de cascos de barcos:

Malla computacional 3D de un casco de un barco. Ref. [2]

Resultado de la simulación CFD del casco anterior, se observa la formación del tren de olas, pudiendo cuantificar la resistencia al avance. Ref. [2]

3-      Diseño de velas:

Simulación de velas, a) malla computacional 2D, resultados del campo de presiones. Ref. [3]

4-      Diseño de maquinas rotativas: Bombas, turbinas, turbocompresores:

Simulación CFD de un turbocompresor MAN TCA. Ref: [3]

5-      Diseño de maquinas alternativas: Motores diesel, Otto, compresores, etc

Simulación CFD del proceso de barrido de un motor Sulzer RTA58. Fracciones másicas de gases quemados (azul) y gases frescos (rojo). Ref. [6]


Simulación CFD del proceso de barrido de un motor de cuatro tiempos Wartsilla 46C. Fracciones másicas de gases quemados y gases frescos. Ref. [6]


6-      Combustión en calderas, en motores alternativos, etc y obtención de los productos de combustión, especies de gases.

Simulación de la inyección y combustión (campo de temperaturas) en un motor MAN Diesel de un grupo electrógeno. Ref. [6]

7-      Diseño de dispositivos para eliminación de los gases contaminantes producidos en la combustión: Catalizadores SCR, SCNR, lavado de gases, etc.

Caldera con catalizador SCNR para reducir el NOx de los gases de la ombustión. Ref. [5]
  
      La idea de calcular soluciones aproximadas de ecuaciones diferenciales que describen flujos de fluidos y transferencia de calor es relativamente antigua, incluso más antigua que la aparición de los ordenadores. Sin embargo, el desarrollo de las técnicas numéricas no ha podido ser posible sin el desarrollo de la computación, que hace posible el desarrollo de millones de operaciones en un tiempo del orden de segundos, propiciando una rápida expansión de los métodos numéricos. Las primeras aplicaciones del CFD se remontan a aplicaciones militares. En los años 60 se realizaban estudios CFD para analizar casos como ondas de choque producidas por una explosión o flujo que circula alrededor de un avión, y más tarde se aplicó a la industria aeroespacial y de automoción. Sin embargo, no es hasta la década de 1980 cuando comenzaron a hacerse estudios tridimensionales. En esta misma década de 1980 es cuando aparecieron los primeros softwares comerciales. En los últimos años, el CFD se ha implementado en el campo de la ingeniería de diseño. Las simulaciones ahorran tiempo y dinero en cuanto a la elaboración de prototipos y otras pruebas experimentales. Esto ha provocado que el CFD se aplique a disciplinas como meteorología, biomédica, química, y, por supuesto, aplicaciones marítimas.

La utilidad de las herramientas modernas de modelado y simulación con programas informáticos de simulación CFD son actualmente indiscutibles, permitiendo ensayar de manera virtual diferentes modelos o diseños antes de acometer la fabricación del prototipo industrial, proporcionando con esta metodología de trabajo, enormes ventajas y beneficios por ahorro de costes de fabricación de prototipos y acortamiento de los tiempos en el desarrollo del producto, dando lugar como consecuencia que la compañía sea más competitiva en la creación y desarrollo de nuevos productos.


CURSOS RECOMENDADOS:

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REFERENCIAS:

[1] Abramowski, T; Żelazny, K.; Szelangiewicz, T. Numerical analysis of influence of ship hull form modification on ship resistance and propulsión characteristics. Part III Influence of hull form modification on screw propeller efficiency. Polish Maritime Research, vol. 1(63), pp. 10-13, 2010.

[2] Jones, D.A.; Clarke, D.B. Fluent code simulation of flow around a naval hull: the DTMB 5415. Maritime Platforms Division  DSTO Defence Science and Technology Organization. 2010.


[5] Fuel Tech Inc

[6] TECNOLOGÍA MARITIMA

[7] Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña



 
Publicado el 2014-03-24 01:45:49 por Isabel Lamas | Abrir
 
ANALISIS CFD DEL PROCESO DE BARRIDO DEL MOTOR MARINO MAN 7S50MC
 

Los motores de dos tiempos diesel MAN B&W de la serie MC fueron introducidos a principios de la década de los años 80 del siglo pasado. Su principal aplicación es la propulsión de todo tipo de buques buques, de tamaños medios y grandes. Éstos motores también han sido empleados en aplicaciones terrestres, principalmente en plantas de producción de potencia eléctrica.

 


Una ventaja de los motores MAN B&W de la serie MC es que incorporan el barrido uniflujo, mucho más eficiente que el que empleaban los antiguos competidores que llevaban el barrido en lazo o transversal  (como eran  los Sulzer RND, MAN KSZ, entre otros). Otra ventaja es que su válvula de escape le proporciona una distribución de la carga asimétrica.

Los motores de dos tiempos en general presentan un inconveniente que tiene una gran influencia en el desarrollo de su ciclo de funcionamiento, este problema viene motivado por el hecho de tener que realizar las cuatro fases del ciclo de funcionamiento (expansión, escape, admisión y compresión) en una sola vuelta del cigüeñal, por tanto los periodos necesarios para cada una de las fases son necesariamente más cortos que en un motor de cuatro tiempos. De todas ellas, las etapas más críticas son el escape-admisión, que es cuando se renueva la carga dentro del cilindro, es por ello que en el diseño del motor es sumamente importante que dichas etapas se lleven a cabo de forma óptima, para que el motor pueda desarrollar buenas prestaciones.


El proceso de desplazamiento de los gases quemados fuera del cilindro, y el llenado con carga de aire fresco, recibe el nombre de “barrido”, y su adecuada realización tiene una influencia decisiva no solo en el consumo de combustible, sino también en la potencia y en la contaminación. 

En la siguiente figura se indica la circulación de aire (color rojo) y gases de escape (color azul).


Tal y como se puede observar en la figura anterior, el aire entrante se utiliza para expulsar fuera o barrer los gases de escape y mientras tanto llenar el espacio con aire fresco. Durante el proceso, una cantidad de aire externo es usado para limpiar el cilindro de gases de combustión. El aire entrante a presión dentro del cilindro se llama aire de barrido, y las lumbreras a través de los que entrase son llamadas lumbreras de admisión o de barrido. El barrido de los motores de dos tiempos se caracteriza por dos problemas típicos: las pérdidas por short-circuit y mixing. Short-circuit (cortocircuito) consiste en expulsar parte de la carga de aire fresco directamente al escape y Mixing (mezcla) consiste en que hay una pequeña cantidad de gases residuales que permanecen atrapados sin ser expulsados, los cuales se mezclan con parte de la carga de aire fresco. A fin de reducir estos problemas, el aire de barrido que entra dentro del cilindro a partir de las lumbreras de admisión debe estar perfectamente dirigido. 

La siguiente figura, obtenida mediante un análisis CFD, muestra la distribución de velocidades del flujo en el interior del cilindro durante la renovación de la carga.





En el motor estudiado, el aire fresco entre en el cilindro a través de las lumbreras de admisión situadas en la camisa del cilindro, los gases de escape se eliminan a través de una sola válvula de escape en la culata de cilindro. Con el sistema de barrido uniflujo, las pérdidas de cortocircuito son casi insignificantes, pero el problema de la sustitución completa de los gases quemados por la carga fresca es un parámetro importante para los ingenieros de diseño de motores. 

La principal dificultad para el diseño de un motor es que hay demasiadas variables involucradas: geometría de la cabeza del pistón, y diseño de lumbreras de admisión y escape, tiempos de apertura y cierre de lumbreras, relación de compresión, la composición del combustible, y presiones de aire de barrido y de escape, entre otros. Un estudio detallado es necesario para abarcar todos estos factores. Aunque hoy en día existe una amplia gama de sofisticadas técnicas experimentales para estudiar los motores, la Mecánica de Fluidos Computacional (CFD) ofrece una herramienta alternativa para examinar el proceso de barrido y renovación de la carga en motores de dos tiempos (y también de cuatro tiempos). 

El análisis CFD proporciona información completa sobre el fenómeno en el interior del cilindro y la influencia de multitud de factores. En el campo de los motores marinos medianas y grandes, el análisis CFD es especialmente útil porque un prototipo experimental es extremadamente costoso y la construcción de un modelo a escala a veces no es suficientemente preciso. 

La siguiente figura muestra las fracciones másicas de gases de escape (color azul) y aire (color rojo) para un recorrido desde 90º hasta 270º de ángulo de cigüeñal.





El motor MAN B&W 7S50MC cuenta con 7 cilindros en línea, con un diámetro de cilindro de 500 mm y una carrera de 1910 mm, suma una cilindrada total de 375 litros y desarrolla una potencia máxima de 9.988 kW a 127 rpm. Cada cilindro posee en su parte baja 16 lumbreras de admisión y en la culata posee una gran válvula de escape para permitir la exhaustación de los gases quemados. 

Parámetro
Valor
Tipo de motor
Diesel, dos tiempos
Sistema de barrido
Uniflujo
Sobrealimentación
Turbocompresor
Cilindrada (cm3)
375.028
Diámetro (cm)
500
Carrera (cm)
1910
Presión media efectiva (bar)
19
Velocidad (rpm)
127
Número de cilindros
7
Potencia (kW)
9988



Para llevar a cabo el estudio CFD se ha utilizado el sowftware libre OpenFOAM porque al ser un código abierto permite una completa manipulación de las ecuaciones gobernantes. Lo cual es indispensable para llevar a cabo este tipo de análisis de un motor real por ser necesario ajustar multitud de parámetros que definen de forma precisa el funcionamiento del motor, lo cual además sería muy complicado de llevar a cabo con otro tipo de programas comerciales.

Para conocer con más detalle la realización de un estudio CFD del sistema de barrido de un motor de dos tiempos lento les recomendamos que lean el artículo “Computational Fluid Dynamics Analysis of theScavenging Process in the MAN B&W 7S50MC Two-Stroke Marine Diesel Engine” publicado en la prestigiosa revista norteamericana Journal of Ship Research, una de las publicaciones con mayor factor de impacto del mundo en su sector, con una clasificación tipo A según la base de datos JCR (Journal Citation Reports).

Los resultados obtenidos con CFD se muestran en el siguiente vídeo:



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REFERENCIAS:

[5Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña
 
Publicado el 2016-02-12 15:30:35 por Carlos Rodriguez & Isabel Lamas | Abrir
 
Análisis CFD del periodo de barrido durante el solape de válvulas del motor diesel Wärtsilä 46
 

El motor Wärtsilä 46 es un motor diesel de cuatro tiempos diseñado para aplicaciones marinas, bien como motor principal o como generador eléctrico. Cuenta con cilindros de 460mm de diámetro, 580mm de carrera, totalizando una cilindrada unitaria de 96,4 litros, la renovación de la carga se consigue por medio de cuatro válvulas por cilindro, cuenta con un sistema de inyección directa de alta presión, enfriador de aire de barrido por intercambiador aire-agua, sistema Spex para el conducto de gases de escape y además cuenta con un turbocompresor de alta eficiencia. La gama de motores Wärtsilä 46, abarca desde motores de 6 cilindros en línea, hasta los más potentes de 16 cilindros en V. 

Figura 1: Corte transversal del motor marino Wärtsilä 46.


El motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä 46 ha sido empleado en múltiples buques tales como los atuneros “Albatún 2” y “Panama Tuna”, buque tanque “Sten Idun”, crucero “Oasis of the Seas”, entre otros.


Figura 2: Sala de máquinas del Oasis of the Seas, con Wartsilla 46 como generadores eléctricos.

El periodo de solape de válvulas es durante el cual permanecen abiertas las válvulas de admisión y de escape al mismo tiempo, quedando en comunicación el colector de admisión y el colector de escape y permitiendo que el flujo de gases frescos que impulsa el compresor pase a la turbina. Para comprender mejor en lo que consiste el solape, la Figura 4 muestra el diagrama de distribución del motor marino de cuatro tiempos Wärtsilä 46. Tal y como se puede apreciar en la Figura, existe un solape durante el cual las válvulas de admisión y escape están abiertas al mismo tiempo, en este caso de 94º de ángulo de cigüeñal.


Figura 4: Diagrama de distribución del motor marino Wärtsilä 46.

El solape de válvulas es de crucial importancia en los grandes motores diesel de cuatro tiempos con elevada tasa de sobrealimentación actuales debido a los siguientes motivos:  
-       Permite mejorar la eliminación de los gases quemados expulsándolos hacia el escape, empleando para ello el flujo de aire entrante a elevada presión que es impulsado por el compresor.
-         El flujo de aire entrante por las válvulas de admisión a una temperatura relativamente baja representa una importante contribución en la refrigeración de las paredes de la cámara de combustión, cabeza de pistón y enfriamiento de las válvulas de escape.
-         Los gases frescos que se mezclan con los quemados y salen por los conductos de escape permiten reducir la temperatura de los gases de escape que llegan a la turbina del turbocompresor, evitando que la temperatura en las paletas de la turbina se aproxime a los límites compatibles con la resistencia mecánica.

Es por ello que en este tipo de motores se requiere que el periodo de barrido sea mayor que en otros motores, y para conseguir esto, el tiempo de solape de válvulas de ser particularmente amplio. El valor adecuado para el solape de válvulas es determinado para cada motor concreto en consonancia con los demás parámetros de diseño de ese motor. Como valores de referencia podemos indicar que el motor MAN 40-54 tenía un periodo de solape de 101,62º (54,62º+47º), el MAN 32-40 tiene valores un poco menores 89º (45º+44º),), el MACK 32 tiene un periodo de solape de 90º (45º+45º). Motores antiguos semirrapidos como el  MTU 16V 956 TB91 tiene un periodo de solape menor ya que solo tiene 61º (32º+29º), sin embargo mas moderno MAN 20-27 tiene valores de 100º (50º+50º), el motor rápido MAN D2840 LE tiene un periodo de solape de 51º (24º+27º). En motores de automóvil el periodo de solape tiende a reducirse e incluso a desaparecer con objeto de rebajar los consumos.

A pesar de las ventajas que proporciona un largo periodo de solape, alargarlo demasiado tiene como inconveniente que el barrido resulta defectuoso. Por tanto, es muy importante determinar el tiempo óptimo de solape en motores. Para demostrar una vez más en este blog las ventajas del CFD (Mecánica de Fluidos Computacional), se ha analizado el barrido de gases dentro del motor Wartsila 46, especialmente durante el solape de válvulas. La Figura 5 indica la malla utilizada para simular un cilindro de este motor. En la figura se ve el cilindro, conductos de admisión y escape y válvulas de admisión y escape. Se ha empleado una malla móvil para simular el movimiento del pistón desde 90º hasta 630º de ángulo de cigüeñal. La Figura 2 se refiere a la posición correspondiente a 180º.


Figura 5: Malla computacional del cilindro del Wartsilla 46.

En la Figura 6 se muestran los resultados obtenidos mediante CFD. Para ver con claridad lo que ocurre en el interior del cilindro. Se indica en color azul el aire fresco y en color rojo los gases de escape. Asimismo, las flechas indican la velocidad del flujo. Como se puede observar, la válvula de admisión se abre antes de que los gases de escape abandonen completamente el cilindro, y su considerable velocidad asiste en aspirar carga fresca.


Figura 6: Resultados obtenidos mediante análisis de CFD.


Con este breve artículo, recalcamos la importancia del CFD en aplicaciones navales, para estudios tan simples como la resistencia aerodinámica de un casco de un barco hasta simulaciones de cavitación en hélices o flujo en el interior de motores.


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FUENTES
: Wärtsilä, Grupo de innovaciones Marinas, OpenFOAM
 
Publicado el 2014-04-09 11:58:46 por Carlos Rodriguez & Isabel Lamas | Abrir
 
Métodos de control de emisiones en motores marinos
 

La nueva regulación IMO Tier III, cuya entrada en vigor se producirá en 2016, restringirá aún más los límites de emisión en las ECAs (Emisión Control Areas o Áreas de Control de Emisiones). En este caso se quiere establecer una reducción del 80% de las emisiones de NOx en comparación con la regulación IMO Tier I en las ECAs, con lo que el contenido en azufre en estas zonas será del 0,1% a partir de 2015.

Simulación de la inyección y combustión (campo de temperaturas) en un motor MAN D2840LE. Fuente: Grupo de Innovaciones Mariñas

Actualmente, más del 90% de los buques son movidos por motores. La mayoría de los combustibles de motores marinos son fuelóleos pesados, los cuales son más baratos que otros combustibles más refinados, pero presentan el inconveniente de que contienen una cantidad importante de sustancias contaminantes tales como azufre, cenizas, asfaltenos, etc, lo cual provoca que los buques emitan cantidades importantes de óxidos de azufre (SOx) y partículas. Además, los buques también emiten cantidades importantes de óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxido de carbono (CO2).


Es muy importante reducir los óxidos de azufre de los gases de escape porque son los principales gases causantes de la lluvia ácida. Los óxidos de nitrógeno también contribuyen a la lluvia ácida y, además, destruyen la capa de ozono. Respecto a las partículas, son muy dañinas en los vegetales y en los animales y humanos pueden provocar serios problemas pulmonares e incluso llegar a causar cáncer. El dióxido de carbono no se considera un gas tóxico, pero también es muy importante reducirlo puesto que repercute en el calentamiento global del planeta.

Debido a la importancia de las emisiones contaminantes de los buques, principalmente óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno, partículas y dióxido de carbono, a lo largo de los últimos años se han ido desarrollando diversas tecnologías. Destacan principalmente las medidas de reducción de óxidos de nitrógeno debido a la normativa IMO Tier, que limita los niveles de emisión de NOx a los siguientes valores, aplicados a motores construidos después del año 2000 (IMO Tier I), 2011 (IMO Tier II) y 2016 (IMO Tier III para áreas especiales).


De manera general, las medidas de reducción de emisiones se pueden agrupar en medidas primarias y secundarias. Las medidas primarias consisten en la modificación de algún parámetro relacionado con el funcionamiento del motor, por ejemplo inyección de combustible, diagrama de distribución, presión y temperatura de trabajo, etc. Por otro lado, las medidas secundarias reducen las emisiones en los gases de escape una vez que éstos ya han sido emitidos. Las principales medidas primarias y secundarias aplicadas en los motores de buques se resumen a continuación:


MEDIDAS PRIMARIAS

-         Modificación de los tiempos y el mapa de inyección de combustible:
Con el fin de conseguir una combustión más perfecta y con ello reducir las emisiones, en los motores actuales es frecuente jugar con el instante de comienzo de la inyección, presión de inyección, geometría de los inyectores o incluso realizar la inyección por tramos. En este sentido, destaca el sistema “common rail” basado en hacer pre-inyecciones o post-inyecciones antes y después de la inyección principal. De este modo se reduce la formación de NOx ya que esta depende tanto de la temperatura como del tiempo que dura el pico de alta temperatura. Con los modernos sistemas de inyección secuencial se puede conseguir alrededor de un 20%  de reducción de NOx con muy poco aumento en el consumo específico de combustible.

 



-         Enfriamiento del aire de admisión:
El aire que pasa por el turbo es aconsejable enfriarlo antes de entrar al motor. Con esta medida se reducen notablemente las emisiones de óxidos de nitrógeno puesto que éstos se originan cuanto más elevadas sean las temperaturas de combustión.



-         Inyección de agua:
Ésta es también una medida para reducir los óxidos de nitrógeno. Inyectando una pequeña cantidad de agua con el combustible, o bien en forma de humedad en el aire de barrido, lo que se consigue es reducir las temperaturas de combustión y con ello las emisiones de óxidos de nitrógeno.




-         Recirculación de gases de escape (EGR, exhaust gas recirculation):
Otra medida para reducir los óxidos de nitrógeno. Recirculando una pequeña parte de los gases de escape y mezclándolos con el aire de barrido también permiten una reducción de las temperaturas de combustión y con ello los óxidos de nitrógeno.




-         Ciclo Miller:
El ciclo Miller fue introducido en los motores diesel en primer lugar para reducir la emisiones de NOx, que como se sabe es una de sus principales desventajas. La idea es bajar la temperatura de combustión. El avance en el diseño de turbocompresores con mayores relaciones de compresión cada vez, permitió disminuir el trabajo de compresión mecánico para la misma presión final, de esta manera aumentando la capacidad de refrigeración después del turbocompresor, se puede mantener la temperatura de inicio de la compresión en los mismos valores, y por lo tanto la temperatura final de compresión disminuye.



Transformando un motor diese al ciclo Miller, se puede llegar a un 20% de reducción de Nox sin incrementar nada el consumo de combustible. El motor de media velocidad Sulzer ZA40S ha sido adaptado con éxito para operar con ciclo Millar, al igual que algunos motores del fabricante MAK.


MEDIDAS SECUNDARIAS:
Aunque es posible a un coste razonable reducir gran parte de los óxidos de nitrógeno con medidas primarias, también se utilizan medidas secuntarias. Las medid secundaria más utilizada para reducir los óxidos de nitrógeno es SCR (Reducción Catalítica Selectiva). El sistema se basa en la inyección de amoníaco o urea (que normalmente se comercializa mediante un compuesto llamado AdBlue) a los gases de escape. Este compuesto reacciona con los óxidos de nitrógeno produciendo nitrógeno y vapor de agua, los cuales no son contaminantes para el medio ambiente. Se llaman catalíticos (a diferencia de los SNCR, reducción no catalítica selectiva) porque emplean catalizadores con el fin de acelerar la velocidad de la reacción química.


Para reducir los óxidos de azufre, existen unos equipos llamados desulfuradores. Al igual que los SCR, el funcionamiento se basa en inyectar una sustancia que reaccione químicamente con el gas contaminante y el compuesto químico formado sea un gas nocivo o un sólido que precipita en un recipiente habilitado para ello. Esta medida es muy utilizada ya que es muy complicado y costoso reducir las emisiones de los óxidos de azufre utilizando medias primarias, al contrario de lo que se hace con los óxidos de nitrógeno.





CONCLUSIÓN
A nivel investigación, es posible analizar las emisiones de los motores utilizando CFD (Mecánica de Fluidos Computacional), pudiendo realizar simulaciones de diferentes patrones de inyección, humidificación del aire de carga, cambio de diagramas de distribución, ciclo Miller, recirculacion de gases de escape, y en general cualquier párametro de funcionamiento del motor puede ser simulado y probado de forma virtual por ordenador, con el correspondiente ahorro de tiempo y dinero antes de llevar a cabo las modificaciones y sucesivas pruebas reales en el motor. 

En anteriores ocasiones se han mostrado en este blog análisis del proceso de barrido de motores. De la misma manera, se puede analizar el proceso de combustión y emisiones contaminantes y con ello analizar el efecto que tiene cada una de las medidas descritas. Tecnología Marítima ha hecho diversos trabajos de este tipo en colaboración con el grupo de investigación Innovaciones Marinas, de la Universidade da Coruña. En este momento la línea de trabajo es análisis de los gases de escape utilizando medidas primarias, así como catalizadores. Todo ello mediante CFD.



La utilidad de las herramientas modernas de modelado y simulación con programas informáticos de simulación CFD son actualmente indiscutibles, permitiendo ensayar de manera virtual diferentes modelos o diseños antes de acometer la fabricación del prototipo industrial, proporcionando con esta metodología de trabajo, enormes ventajas y beneficios por ahorro de costes de fabricación de prototipos y acortamiento de los tiempos en el desarrollo del producto.


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LINKS:

- Revista Journal Of Maritime Research; Emissions from Marine Engines and Nox Reduction Methods  
MAN Diesel & Turbo - HOMEPAGE
- Grupo de Innovaciones Mariñas de la Universidad de La Coruña.

 
Publicado el 2014-04-11 12:04:42 por Isabel Lamas | Abrir
 
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