RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Transkrypt

1 1 Prof. dr hab. inż. Mirosław WENDEKER Lublin, dnia r. Politechnika Lubelska Katedra Termodynamiki, Mechaniki Płynów i Napędów Lotniczych RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ mgra inż. Pawła Stobnickiego pt.: Badawcza analiza wtrysku paliwa w aspekcie właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym Recenzję opracowałem na podstawie zlecenia Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej, prof. dr hab. inż. Franciszka TOMASZEWSKIEGO pismo l.dz. DR-63/481/01/2013 z dnia roku. 1. Ocena celu naukowego rozprawy Rozprawa doktorska mgra Pawła Stobnickiego poświęcona jest badaniom procesu zasilania tłokowego silnika samochodowego i ulokowana została w dziedzinie nauk o budowie i eksploatacji maszyn. Chociaż silnik o zapłonie samoczynnym został opracowany przez Rudolfa Diesla już w 1892 roku to wciąż prowadzone są badania nad rozwojem konstrukcji samego silnika oraz układów zasilania paliwem. Tłokowe silniki spalinowe zamieniają energię chemiczną zawartą w paliwie na energię mechaniczną wykorzystując przemianę ciepła spalania w entalpię gazu roboczego a tę z kolei w pracę ruchu obrotowego wału korbowego napędzanego układem korbowo-tłokowym. W silnikach wewnętrznego spalania gazem roboczym jest początkowo mieszanka paliwowopowietrzna zaś powietrze jest źródłem tlenu do spalania paliwa. Podczas procesu spalania powietrze i paliwo stopniowo zamieniane są w gazy spalinowe. Spalanie węglowodorów nasyconych (alkanów) jest głównym źródłem energii pozwalającej na pracę silników spalinowych, dominujących wśród napędów samochodowych. Według szacunków koncernu Bosch w roku zostanie wyprodukowanych 103 mln samochodów, z czego 100 mln stanowić wciąż będą pojazdy z silnikami spalinowymi. Według tego raportu, duży udział w rynku sprzedaży (23 mln samochodów) będą miały silniki diesla.

2 2 Olej napędowy jest mieszaniną węglowodorów parafinowych i naftenowych, wydzielonych z ropy naftowej w procesach destylacyjnych. W paliwie występują również śladowe ilości węglowodorów aromatycznych. Podczas spalania oleju napędowego powstaje głównie para wodna i dwutlenek węgla. W spalinach występuje obficie azot zawarty pierwotnie w powietrzu dostarczonym do spalania. Niestety, nierównomierne wymieszanie paliwa z powietrzem oraz wysoka temperatura towarzysząca płomieniowi powodują, że po zakończeniu spalania w spalinach występuje dużo szkodliwych związków, głównie niespalone węglowodory, tlenki azotu, tlenek węgla i cząstki stałe. Środki transportu są jedną z głównych przyczyn zanieczyszczenia atmosfery i pomimo wielkich wysiłków w zakresie usuwania zanieczyszczeń z atmosfery, na całym świecie ich obecny poziom często przekracza maksymalne wartości ustalone przez Światową Organizację Zdrowia. W ciągu ostatnich lat w znaczny sposób zmienił się kierunek rozwoju silników, w tym silników o zapłonie samoczynnym. W przeszłości główny nacisk kładziono na rozwój rynku motoryzacyjnego i związane z tym wprowadzanie technologii zwiększających różnorodność produktów pod względem mocy maksymalnej czy niezawodności konstrukcji. Obecnie dąży się przede wszystkim do zmniejszenia negatywnych skutków spalania paliwa samochodowego dla stanu atmosfery. Względy ekologiczne spowodowały gwałtowny rozwój silników o zapłonie samoczynnym. Silniki o zapłonie samoczynnym wyposażane są w układy bezpośredniego wtrysku paliwa, posiadające bardzo precyzyjnie wykonane elementy układu paliwowego, w szczególności pompy i wtryskiwacze, którymi pod dużym ciśnieniem paliwo podawane jest do komór spalania silnika. W komorze spalania tworzy się ładunek złożony z powietrza i rozpylonego paliwa w fazie ciekłej w postaci zbioru parujących kropel. W wyniku procesu sprężania powietrze w komorze spalania uzyskuje temperaturę C, czyli dużo wyższą niż temperatura samozapłonu oleju napędowego. Przekazywane do kropel ciepło powoduje parowanie ich zewnętrznej warstwy zaś pary paliwa są od każdej kropli unoszone do otaczającego kroplę powietrza, z którym się mieszają. Wokół każdej kropli tworzy się mieszanina par paliwa i powietrza o dużych gradientach lokalnego współczynnika nadmiaru powietrza. W miejscach osiągnięcia przez mieszankę zakresu palnego następuje samozapłon a wyzwalane w wyniku spalania ciepło powoduje ekspansję spalin. Źródła samozapłonu są przypadkowe i występują równocześnie w wielu miejscach tworząc obszary, które zaczynają się łączyć ze sobą. Wokół nich tworzy się lokalny front płomienia propagujący w kierunkach tworzenia mieszanki o zakresie palnym. W całej przestrzeni, do której wtryśnięto paliwo, powstaje jeden wspólny, silnie rozwinięty powierzchniowo front spalania, rozprzestrzeniający

3 3 się do chwili natrafienia na mieszankę palną. Cały proces powstaje w komorze spalania o dużym współczynniku turbulencji, która jest wzmacniana procesem wtrysku paliwa. Spełnienie współczesnych norm emisji związków toksycznych w spalinach silników spalinowych wymaga jak największego ograniczenia kontaktu ciekłego paliwa ze ściankami komory spalania i tworzenia się na nich filmu paliwowego. Zagadnienie to jest bardzo istotne w aspekcie stosowanego współcześnie wtrysku wysokociśnieniowego. Przeprowadzenie oceny tych możliwości musi wynikać z dokładnej analizy rozkładu strugi wtryskiwanego paliwa w przestrzeni spalania. W tym kontekście tematyka badawcza niniejszej rozprawy jest aktualna i nowoczesna. Mgr inż. Paweł Stobnicki słusznie zauważył, że proces wtrysku oraz rozpylenie paliwa mają decydujący wpływ na wskaźniki pracy silnika o zapłonie samoczynnym. Wiedząc, że stosowane współcześnie bardzo duże ciśnienie wtrysku paliwa skutkuje nieuchronnym kontaktem strugi wtryskiwanego paliwa ze ściankami tłoka, postawił problem naukowy następująco: jak znaczący jest wpływ czasowo-geometrycznych parametrów strugi rozpylonego paliwa na interakcję strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka, a tym samym na emisję związków toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. W takim świetle, postawione przez Autora zadanie naukowe należy uznać za wyjątkowo aktualne i zgodne z najnowszymi tendencjami rozwoju silników spalinowych. Mgr inż. Paweł Stobnicki zaproponował rozwiązanie postawionego problemu naukowego poprzez przeprowadzenie badań modelowych rozpylenia strugi paliwa po jej interakcji ze ścianką tłoka oraz badań silnikowych wpływu zmiany warunków rozpylenia paliwa na emisję składników toksycznych spalin w silniku o zapłonie samoczynnym. Postawionym celem pracy było wykazanie czy warunki interakcji strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka mają wpływ na intensywność procesów przedpłomiennych oraz ograniczenie emisji składników toksycznych spalin. Osiągnięcie celu ułatwi opracowanie praktycznych wskazówek dla doboru parametrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych układu wtryskowego. Umożliwi to zmniejszenie kosztów optymalizacji układu wtryskowego silników o zapłonie samoczynnym przez częściowe wyeliminowanie badań silnikowych na rzecz relatywnie tańszych i łatwiejszych do wykonania badań wizualizacyjnych rozpylenia paliwa. Autor postawił tezę naukową twierdzącą, że miejsce kontaktu strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka wpływa znacząco na procesy przygotowania ładunku (rozbicie kropel paliwa o ściankę tłoka oraz zawirowanie ładunku) i w konsekwencji poprawę warunków jego spalania. Mgr Stobnicki twierdzi, że istnieje zależność między parametrami strugi

4 4 rozpylonego paliwa, określonymi w wyniku pozasilnikowych badań optycznych, a emisją związków toksycznych spalin silników o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Określenie tych relacji pozwoli wg Doktoranta przewidywać poziom emisji związków toksycznych spalin. Takie postawienie celu pracy i tezy naukowej uważam za prawidłowe. Zmieniłbym jedynie stwierdzenie poprawę warunków spalania na istotną zmianę warunków spalania. Pomimo tej usterki należy podkreślić aktualność i oryginalność celu naukowego rozprawy. Zakres przeprowadzonych badań jest bardzo obszerny, pracę cechuje wyjątkowa nowoczesność zastosowanych technologii. Stwierdzam, że informacje zawarte w pracy oraz wyniki badań stanowiskowych mają znaczenie światowe i z pewnością będą mogły stanowić podstawę do wartościowych publikacji zagranicznych. Postawione zadanie naukowe spełnia w sposób dostateczny wymagania stawiane rozprawie doktorskiej. Tematyka rozprawy jest aktualna i zgodna z kierunkami badań silników samochodowych, szczególnie w aspekcie prób ograniczenia negatywnego wpływu motoryzacji na środowisko. 2. Ocena sposobu realizacji celu naukowego rozprawy Podczas analizy stanu wiedzy Doktorant przybliżył problematykę konstrukcji współczesnych rozpylaczy układów wtryskowych silników o zapłonie samoczynnym, przedstawił teoretyczne podstawy procesów rozpylenia i spalania paliw, opisał wpływ parametrów wtrysku na wskaźniki rozpylenia paliwa, interakcję strugi paliwa i ścianki tłoka oraz procesy powstawania związków toksycznych spalin. Autor skonstatował, że większe rozdrobnienie kropel paliwa w strudze sprzyja osiąganiu mniejszego zasięgu strugi, większego kąta rozwarcia jej stożków, większej powierzchni, a także równomierności w rozkładzie paliwa oraz przytoczył badania dowodzące, że w strefach bogatych w paliwo (występujących w rdzeniu strugi) powstaje sadza, natomiast spalanie mieszanki ubogiej prowadzi do powstawania tlenków azotu. Przytoczone dane pozwoliły na sformułowanie celu oraz tezy pracy. Dla osiągnięcia postawionego celu pracy mgr inż. Paweł Stobnicki przeprowadził badania porównawcze na dwóch stanowiskach badawczych, tj. na stanowisku pozasilnikowym w komorze o stałej objętości, umożliwiającej analizę parametrów rozpylanych strug paliwa oraz stanowisku hamownianym wyposażonym w silnik badawczy o zapłonie samoczynnym. Przeprowadził badania eksperymentalne i symulacyjne dotyczące interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka w aspekcie zróżnicowanego ciśnienia wtrysku oraz

5 5 przeciwciśnienia powietrza. Wykorzystując komorę o stałej objętości oraz kamerę do zdjęć szybkich HSS 5 firmy LaVision dokonał jakościowej i ilościowej analizy strugi paliwa docierającej do tłoka dla różnych chwil wtrysku paliwa (kątów wyprzedzenia wtrysku). Badania eksperymentalne poparł badaniami modelowymi, na podstawie których określił stężenie paliwa i jego rozkład w poszczególnych obszarach komory spalania. Doktorant przeprowadził badania dla rozpylaczy jednootworkowych oraz sześciootworkowych. Pierwsza grupa badań została przeprowadzona jako badania wizualizacyjne wykorzystujące szybką kamerę oraz komorę o stałej objętości. Badania wykonano dla dwóch wartości ciśnienia wtrysku (odpowiednio 75 oraz 100 MPa) oraz trzech wartości ciśnienia powietrza (2,5, 3,0 i 3,4 MPa). Przyjęte wartości ciśnienia wyprowadzono z analizy procesu roboczego współczesnego silnika o zapłonie samoczynnym. Autor badał krótki, pojedynczy wtrysk paliwa trwający 1/3 milisekundy zmieniając położenie wtryskiwacza względem tłoka w taki sposób, aby kontakt strugi z tłokiem odbywał się w trzech miejscach: na krawędzi, na pionowej ściance tłoka oraz na muldzie tłoka. Łącznie mgr Stobnicki wykonał badania w 18 punktach pomiarowych. Uzyskał obrazy wtrysku paliwa na ściankę tłoka i podzielił obszar obrazów na trzy strefy nazywając je strefą A (komora nad tłokiem), B (od korony tłoka do wierzchołka wypukłości tłoka) i C (wnętrze komory tłoka poniżej wierzchołka wypukłości). Dysponując czasowymi przebiegami obrazów obliczył czasowy przebieg udziału paliwa w każdej z trzech stref oraz czasowy przebieg grubości strugi. Analizując uzyskane dane stwierdził, że wysokość położenia wtryskiwacza wywiera istotny wpływ na zarejestrowane parametry. W ostatnich latach, w związku z szybkim rozwojem techniki komputerowej, powszechną praktyką w badaniach silnikowych jest modelowanie zjawisk fizycznych zachodzących w obiektach rzeczywistych. Rozwiązywanie zagadnień związanych z przepływem medium możliwe jest dzięki zastosowaniu analiz inżynierskich CFD (ang. Computational Fluid Dynamics), zwanych komputerową mechaniką płynów. Dzięki dyskretyzacji i numerycznemu rozwiązaniu cząstkowych równań różniczkowych opisujących przepływ możliwe jest przybliżone wyznaczenie rozkładu prędkości, ciśnienia, temperatury oraz pozostałych wielkości opisujących przepływ czynnika ściśliwego. Współczesne programy CFD pozwalają na rozwiązywanie przepływów z uwzględnieniem lepkości i ściśliwości, przepływów wielofazowych, przepływów, w których występują reakcje chemiczne lub procesy spalania, przepływów przez struktury porowate oraz przepływów płynów newtonowskich lub nienewtonowskich. Istnieje także możliwość symulacji interakcji płyn ciało stałe (ang. Fluid Structure Interaction). Większość współczesnych programów

6 6 CFD bazuje na równaniach Naviera-Stokesa (równanie zachowania masy, pędu i energii dla płynu) i dyskretyzuje je za pomocą metody objętości skończonych, metody elementów skończonych lub metody różnic skończonych. Do wyjaśnienia problemu wpływu podawania paliwa na pracę silnika wysokoprężnego Doktorant sięgnął po narzędzie symulacyjne. Narzędzia takie nie wprowadzają zakłóceń w rzeczywistym procesie roboczym (w przeciwieństwie do umieszczania w komorze roboczej np. termoanemometrów) a walidacja oprogramowania wiodących firm gwarantuje adekwatność wyników obliczeń. Mgr inż. Paweł Stobnicki przeprowadził analizę numeryczną CFD z zastosowaniem oprogramowania AVL FIRE, programu z rodziny CFD służącego do modelowania procesów zachodzących w silnikach spalinowych z uwzględnieniem procesów takich jak: spalanie, transport i wymiana ładunku, przepływy wielofazowe, wymiana ciepła. Dzięki zaawansowanym modelom obliczeniowym program pozwala na efektywne i sprawne modelowanie pracy silnika. Dzięki wyspecjalizowanym modułom tworzenia siatki elementów skończonych (w tym również siatki typu moving mesh ) pozwala na dokładne generowanie modeli obliczeniowych zarówno analiz statycznych jak i dynamicznych. Wymienność plików z innymi programami typu CFD pozwala na wykonywanie obliczeń i generowanie raportów również w innych środowiskach obliczeniowych. AVL FIRE dysponuje możliwością dodawania własnych procedur użytkownika co pozwala na zaawansowaną ingerencję użytkownika w cykl procesu symulacyjnego i obliczeniowego. Podczas badań symulacyjnych, będących drugą grupą badań, Doktorant użył identycznych parametrów ciśnienia paliwa i ciśnienia powietrza zmieniając jedynie czas wtrysku na 0,6 ms (nie podając dlaczego dokonał tej zmiany w stosunku do badań stanowiskowych, w których czas wtrysku wynosił 0,33 ms). Symulował prędkość obrotową 800 obr/min. Oprogramowanie AVL FIRE pozwoliło na sporządzenie szczegółowych raportów zawierających rozkład masy paliwa i czas rozkładu kropel. Interpretacja wyników symulacji doprowadziła do wniosku, że późny wtrysk (do wnętrza tłoka) istotnie ograniczył ilość ciekłej frakcji dyfundującej do głowicy i cylindra. Dzięki temu zmniejszy się zagrożenie zwiększoną emisją tlenku węgla i niespalonych węglowodorów ale jednocześnie wystąpi zagrożenie utworzenia się zwiększonej liczby cząstek stałych wewnątrz obszaru tłoka. Ponadto poprawa wypalania paliwa może skutkować zwiększeniem emisji tlenków azotu. Trzecią grupę badań stanowiły badania stanowiskowe przeprowadzone przy użyciu silnika AVL Doktorant wykonał badania dla dwóch prędkości obrotowych (odpowiednio 1500 i 2000 obr/min), różniących się od prędkości zastosowanej podczas badań symulacyjnych (przypominam 800 obr/min). Plan eksperymentu zawierał dwie wartości

7 7 ciśnienia wtrysku (identyczne jak podczas poprzednich grup badań) oraz trzy położenia wtryskiwacza względem tłoka dla niezmiennej chwili wtrysku paliwa 8 OWK przed GMP. Ciśnienia powietrza w cylindrze wynosiło na początku wtrysku około 3,2 MPa (przy prędkości 1500 obr/min) i około 4,6 MPa (przy prędkości 2000 obr/min). Przypominam, że podczas badań pozasilnikowych mgr inż. P. Stobnicki używał ciśnienia powietrza od 2,5 do 3,4 MPa. Dokonywany pomiar ciśnienia gazu roboczego w cylindrze pozwolił Doktorantowi na obliczenie ciśnienia indykowanego oraz przebiegu szybkości wywiązywania się ciepła. Najważniejsze w tej grupie badań były jednak wyniki pomiaru składu spalin. Badania stanowiskowe potwierdziły, że zwiększenie wysokości usytuowania wtryskiwacza przyczynia się do zmniejszenia emisji THC i CO lecz jednocześnie zwiększa się emisja NO x oraz PM. Zastosowane rozwiązania badawcze świadczą o wiedzy inżynierskiej oraz umiejętnościach twórczych Autora. Predyspozycje mgra Stobnickiego do pracy badawczej potwierdza również zbudowane stanowisko hamowniane, zawierające szereg nowoczesnych układów pomiarowo sterujących. Przedstawione przez Autora wnioski pobadawcze są prawidłowe i logiczne. Dowodzą one, że mgr inż. Paweł Stobnicki zrealizował postawiony naukowy cel rozprawy opisał wpływ parametrów układu zasilania wtryskowego na emisję związków toksycznych spalin silników o zapłonie samoczynnym z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Uzyskane wyniki badań teoretycznych i stanowiskowych mają znaczenie naukowe i praktyczne. 3. Ocena edycji rozprawy Rozprawa została podzielona na 8 części zajmujących łącznie 105 stron. Do rozprawy dołączono listę oznaczeń, streszczenia w języku polskim oraz angielskim i spis literatury (118 pozycji). Łączna objętość pracy liczy 120 stron. W pierwszym rozdziale Autor przedstawił genezę tematu pracy zaś w drugim scharakteryzował dotychczasowy stan wiedzy. Cel i zakres pracy zdefiniował w trzecim rozdziale. W rozdziale czwartym przybliżył metodykę badań opisując przedmiot i zakres badań, obiekt badawczy, a także stanowiska badawcze. Dodatkowo przedstawił opis aparatury wykorzystanej podczas badań zarówno modelowych, jak i silnikowych. W rozdziale piątym opisał przeprowadzone badania modelowe interakcji strugi paliwa i ścianki tłoka. W szóstym rozdziale przedstawił symulacyjną analizę rozpylenia w aspekcie kontaktu paliwa ze ścianką tłoka z wykorzystaniem oprogramowania AVL FIRE. Rozdział siódmy zawiera analizę wyników badań emisyjnych wykonanych na stanowisku silnikowym zaś rozdział ósmy

8 8 zawiera końcowe wnioski wynikające z przeprowadzonej analizy. Mgr Stobnicki wskazał ponadto kierunki dalszych prac badawczych związanych z tematyką rozprawy. Układ pracy logiczny, język rozprawy zrozumiały, ilustracje wykonane są wyjątkowo starannie i przejrzyście. Tym niemniej Autor nie ustrzegł się błędów edycyjnych, które zaznaczyłem w tekście rozprawy. Większość zauważonych przeze mnie usterek tekstu ma charakter błędów interpunkcyjnych. 4. Ocena ogólna rozprawy Najważniejszymi osiągnięciami poznawczymi pracy są następujące wnioski końcowe o charakterze ogólnym: 1. Warunki wtrysku paliwa określone przez ciśnienie wtrysku paliwa oraz przeciwciśnienie powietrza wpływają nieznacząco, w granicach około 10%, na rozkład paliwa w obszarach komory spalania objętych strugą paliwa. 2. Zmiana początku wtrysku w stosunku do położenia tłoka powoduje istotne zmiany rozkładu paliwa w obszarach komory spalania. 3. Istnieje zależność wpływu strugi wtryskiwanego paliwa i ścianki tłoka na procesy przygotowania ładunku i w konsekwencji zmianę warunków jego spalania. 4. Zwiększenie wysokości usytuowania wtryskiwacza przyczynia się do poprawy warunków przygotowania mieszanki palnej, co pozwala na skrócenie okresu opóźnienia samozapłonu, zwiększenie ciśnienia maksymalnego w komorze spalania, jak również powoduje szybsze wywiązywanie ciepła w komorze spalania. Największym jednak osiągnięciem rozprawy jest to, że modelowe badania rozpylenia paliwa, wykonane na stanowisku pozasilnikowym, Doktorant skojarzył z wynikami pomiarów emisyjnych związków toksycznych spalin silnika o zapłonie samoczynnym. Uzyskał dzięki temu zależności, które pozwalają na podstawie badań optycznych rozpylenia paliwa przewidywać zmiany emisji związków toksycznych spalin. Ważną zaletą takiej metodyki jest ograniczenie badań silnikowych na rzecz tańszych oraz prostszych do wykonania badań optycznych rozpylenia paliwa. Doktorant podczas realizacji rozprawy wykazał się dostatecznym przygotowaniem do pracy naukowej, a w szczególności: znajomością zagadnień z zakresu teorii silników spalinowych, teorii mechaniki płynów i spalania oraz umiejętnością wykorzystania nowoczesnych metod pomiarowych i symulacyjnych.

9 9 Recenzowana rozprawa doktorska jest samodzielnym rozwiązaniem zagadnienia naukowego. 5. Wniosek końcowy Rozprawa mgra inż. Pawła Stobnickiego pt. Badawcza analiza wtrysku paliwa w aspekcie właściwości ekologicznych silnika o zapłonie samoczynnym spełnia wymagania ustawowe stawiane pracom promocyjnym na stopień doktora nauk technicznych w rozumieniu ustawy O stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 roku, a Autor może być dopuszczony do jej publicznej obrony. Prof. dr hab. inż. Mirosław Wendeker