Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Jakuba Kalke pt. Numerical modeling of heat and mass transfer in opposed piston engines

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Stanisław Szwaja prof. PCz Instytut Maszyn Cieplnych Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki Politechnika Częstochowska Al. Armii Krajowej Częstochowa Częstochowa, r. Recenzja rozprawy doktorskiej mgra inż. Jakuba Kalke pt. Numerical modeling of heat and mass transfer in opposed piston engines Recenzję wykonano na zlecenie Dziekana Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej na podstawie pisma nr MEiL 899/2017 z dnia 24 lipca 2017r. Przedstawiona do recenzji praca doktorska mgra inż. Jakuba Kalke zawiera z załącznikami 180 stron. Promotorem pracy jest prof. zw. dr hab. inż. Andrzej Teodorczyk, promotorem pomocniczym jest dr inż. Paweł Mazuro. 1. Aktualność tematu pracy Tematyka pracy doktorskiej pana mgra inż. Jakuba Kalke dotyczy modelowania wymiany masy i ciepła w silniku rewolwerowym PAMAR 4. Tematyka ta jest ściśle związana z tematyką badań nad silnikiem rewolwerowym wynalezionym przez p. dra inż. Pawła Mazuro z Instytutu Techniki Cieplnej Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Badania te są zakrojone bardzo szeroko i dotyczą zarówno modelowania jak również projektowania, budowy i testowania obiektów rzeczywistych. Potencjał do zastosowań aplikacyjnych wynalezionego silnika upatruje się m.in. w stosowaniu go jako tzw. range extendera w pojeździe elektrycznym w celu wydłużenia jego zasięgu. Silnik spalinowy PAMAR 4 a także jego wcześniejsze wersje cechuje potencjał do jakościowo istotnej poprawy sprawności ogólnej poprzez obniżenie ilości ciepła odprowadzanego do dolnego źródła. Przy niewielkich wymiarach silnik ten charakteryzuje się bardzo korzystnym współczynnikiem mocy do pojemności skokowej, a tym samym do masy. Obecnie w skali świata strategia rozwoju trakcyjnego silnika spalinowego jest stymulowana kryteriami ochrony środowiska naturalnego, w tym minimalizowania emisji CO2 do atmosfery, co przedkłada się na działania w kierunku downsizingu silnika z jednoczesnym podnoszeniem jego mocy, sprawności ogólnej i obniżaniem emisji toksycznych składników spalin. Konieczność wdrażania tej strategii jest niekwestionowanym i wystarczającym argumentem do podejmowania badań również w obszarze niekonwencjonalnych rozwiązań 1

2 konstrukcyjnych silnika tłokowego, jakim jest silnik rewolwerowy. Dla takich niekonwencjonalnych rozwiązań okazuje się, że opracowane dla silnika klasycznego programy do analizy numerycznej są trudne do wykorzystania, szczególnie dla silnika odmiennego konstrukcyjnie pod względem komory spalania oraz kinematycznie innego powiązania tłoka z wałem silnika. Doktorant podjął próbę zamodelowania obiegu termodynamicznego silnika rewolwerowego ze szczególnym uwzględnieniem wymiany ładunku i wymiany ciepła w cylindrze silnika. Podsumowując, tematyka badań prowadzonych przez p. mgra inż. Jakuba Kalke w jego pracy doktorskiej jest aktualna i potrzebna, a już osiągane wyniki są niewątpliwie nową wiedzą i mają duży potencjał aplikacyjny. Temat pracy został wybrany prawidłowo, a treść zawarta w pracy odpowiada kryteriom pracy doktorskiej. 2. Charakterystyka rozprawy i jej struktura Praca w całości napisana jest w języku angielskim. Nie oceniano poprawności gramatycznej i stylistycznej pracy, ale należy stwierdzić, że praca jest napisana językiem komunikatywnym, bez występowania niejednoznacznych lub niezrozumiałych sformułowań. Praca ma 180 stron zawierających 10 głównych rozdziałów, podzielonych na podrozdziały do trzeciego poziomu oraz 3 załączniki, które zawierają informacje dotyczące opisu stanowiska badawczego i aparatury pomiarowo-sterującej, czym uzupełniają główną treść pracy i tym samym stanowią jej integralną część. W rozdziale 1 - Wprowadzenie - doktorant przedstawił cel i założenia do swej pracy. W końcowym rozdziale pracy odniósł się do postawionego sobie celu uznając go za zrealizowany. W rozdziale 2 scharakteryzował silniki rewolwerowe o tłokach przeciwbieżnych. Doktorant przedstawił ich główne zalety, wyzwania na przyszłość oraz potencjalne obszary zastosowań, skupiając się na tzw. range extenders czyli urządzeniach do wydłużania zasięgu pojazdów elektrycznych. W rozdziale 3 przybliżono obiekt badań, którym jest silnik PAMAR 4. Najważniejszą częścią pracy są rozdziały od 4 do 7, w których autor przedstawia kolejno zero- oraz trójwymiarowe podejście do modelowania obiegu termodynamicznego silnika koncentrując się na modelowaniu wymiany ładunku oraz wymiany ciepła. W rozdziale 8 pokazano wyniki badań eksperymentalnych układu wtryskowego oraz indykowania silnika. Ta część pracy, która zawiera rozdziały od 4 do 8 uznaje się jako element twórczy, stanowiący około 60% objętości pracy. Pracę zamykają rozdziały 9 i 10 zawierające podsumowanie i wnioski wynikające z przeprowadzonych badań. Układ rozdziałów i ich zawartość uznaje się za prawidłowy. Uwagi krytyczne 2.a) Niecelowym wg recenzenta jest tworzenie podrozdziałów do trzeciego poziomu zagnieżdżenia. Szczególnie w przypadku, gdy te podrozdziały są ubogie w treść lub 2

3 przedstawiają wyłącznie ogólnie znane wzory, przykładowo podrozdziały 2.5.4, lub od do b) Daje się zauważyć brak logicznego powiązania ze sobą szeregu podrozdziałów jak również brak objaśnień do wielu pojęć, rysunków i zależności. Jest oczywistym, że praca doktorska prezentuje wyniki badań naukowych i taka forma prezentacji może być akceptowalna, ale praca powinna także cechować się przekazem o charakterze popularyzującym tę naukę, tak aby mogła być zrozumiana nie tylko przez wąskie grono osób związanych tematycznie z daną dziedziną wiedzy. Natomiast, czytając tę pracę odnosi się wrażenie pewnego chaosu informacyjnego, w którym nie dokonano odpowiedniej selekcji wiedzy opracowanej przez Doktoranta i wiedzy już powszechnie znanej i ogólnie dostępnej. 2.c) W zakresie nazewnictwa polskiego dla opposed pistons : zamiast nazwy tłoki przeciwbieżne czy nie lepiej brzmi tłumaczenie tej nazwy jako tłoki przeciwsobne lub przeciwstawne? 2.d) Nieznane jest uzasadnienie do użycia języka angielskiego do napisania tej pracy. 3. Kluczowe osiągnięcia naukowe zawarte w rozprawie W swej pracy doktorskiej p. Jakub Kalke skoncentrował się głównie na zamodelowaniu wymiany masy i wymiany ciepła w cylindrze silnika PAMAR 4. Opisał szczegółowo proces wymiany ładunku w zależności od parametrów geometrycznych rozrządu silnika. Zdefiniował i przeanalizował warunki brzegowe dla modeli 0-D i 3-D wymiany ciepła poprzez konwekcję. Opracował także szereg własnych programów obliczeniowych z wykorzystaniem metody FVM CFD. Wykazał się umiejętnościami w zakresie budowy i oprzyrządowania pomiarowego dla stanowiska badawczego. Za podstawowe osiągnięcie pracy należy uznać zamodelowanie obiegu termodynamicznego z uwzględnieniem fazy wymiany ładunku i wymiany ciepła przez ścianki cylindra dla silnika o tłokach przeciwsobnych, pozbawionych klasycznego zaprzęgu korbowo-tłokowego. Brak powiązania, za pomocą klasycznego mechanizmu korbowotłokowego, ruchu tłoków z kątem obrotu wału silnika praktycznie uniemożliwia wykorzystanie dostępnego komercyjnego oprogramowania i zmusza badacza do poszukiwania sposobu modelowania obiegu cieplnego takiego silnika tłokowego i następnie do samodzielnego rozwiązania problemu, aby później zweryfikować opracowany przez siebie model matematyczny oraz ocenić stosowalność tego modelu do opisu zjawisk w obiekcie rzeczywistym. Doktorant podjął się próby zrealizowania tak postawionego zadania i uzyskał zamierzony przez siebie cel, co zostało potwierdzone zawartością tej pracy jak również pozytywną opinią recenzenta pracy. 3

4 Do szczególnie cennych osiągnięć doktoranta należy zaliczyć: opracowanie 0-wymiarowego modelu obiegu termodynamicznego dla silnika dwusuwowego z tłokami przeciwsobnymi oraz walidacja tego modelu, opracowanie podmodelu wymiany ciepła, opracowanie modelu 3D obliczenia pola temperatury w cylindrze, umiejętność wykorzystania narzędzi CFD - opracowanie skryptów podmodeli w programach Cantera i Matlab i ich integracja do środowiska Ansys-Fluent, udział w budowie systemu kontrolno-pomiarowego dla stanowiska badawczego. Uwagi merytoryczne 3.a) We Wstępie Doktorant opisuje, że celem jest rozwój nowych narzędzi i modeli do komputerowej symulacji wymiany ciepła i masy. Czy Doktorant może przedstawić te narzędzia (nie modele) w rozumieniu jako programy komputerowe i ocenić na ile będą one narzędziami uniwersalnymi w zakresie symulacji obiegu silnika z tłokami przeciwsobnymi? 3.b) Strona 30 brak wyjaśnienia, dlaczego silnik rewolwerowy może mieć niższą sprawność mechaniczną od silnika klasycznego. 3.c) Na rysunku 3.5 przedstawiono uwarstwienie gazów w komorze spalania. Widoczne jest oddzielenie od siebie stref paliwa i spalin. Zatem, czy spaliny te będą brać aktywny udział w przebiegu inicjowania zapłonu i początkowym rozwoju płomienia skoro są te strefy od siebie oddalone i przedzielone czystym powietrzem? 3.d) Czy we wzorze 4.1 nie powinno być V_comb_r zamiast V_comb_t? Jak wynika z opisu V_comb_t jest niemożliwe do uzyskania ze względu na więzy kinematyczne. Na stronie 41 (góra) Autor podaje, że V_comb_r jest minimalną objętością zawartą pomiędzy tłokami. 3.e) Brak opisu do równań 4.4, 4.5 i 4.6. Przydałby się rysunek poglądowy pokazujący więzy kinematyczne dla obydwu silników z zaznaczeniem wielkości występujących we wzorach. 3.f) Wzory 4.7, 4.8 i 4.9 budzą co do swojej wiarygodności nieufność czytelnika ze względu na domniemany konflikt w jednostkach wymiarowych poszczególnych składników jak na przykład: VCR (zmienny stopień sprężania - w domyśle czytelnika jest to wielkość bezwymiarowa), VVT (wymiar to prawdopodobnie kąt obrotu wału) a xin i xex są prawdopodobnie długością, na co wskazuje równanie 4.9 i potwierdza informacja na stronie 36 odnośnie x_comr_in i x_compr_ex. 3.g) Na rysunku 4.14 występuje błędny wymiar dla prędkości. Zamiast rad/s powinno być m/s. 3.h) Na stronie 50 wskazane byłoby scharakteryzować nieco bardziej szczegółowo reakcje chemiczne o różnych rzędach, np. za pomocą równań. 3.i) Kogo reprezentuje wyraz Author występujący na rysunku 4.20 przedstawiającym współczynnik wnikania ciepła? Czy chodzi tu o Autora tej pracy doktorskiej czy autora pozycji literatury 68? 4

5 3.j) W wielu przypadkach brak jest odniesienia w tekście do zamieszczonego rysunku. Przykładowo jaki był cel zamieszczenia rysunku 4.17 przedstawiającego przebiegi cp w funkcji temperatury? Nie ma żadnej wzmianki o tym rysunku w tekście pracy? Czy nie lepiej byłoby przedstawić cp średnie dla całej mieszaniny przed zapłonem i po spaleniu? 3.k) Funkcja Wiebe nie dotyczy prawa zachowania masy (strona 53). 3.l) Jaki jest sens wypisywania pewnych pojęć i zmiennych dla danych obiektów typu Port, Piston, Motion, Timing itd. bez ich dalszego opisu (strony 41 47). Obiekty te mogły zostać przedstawione w postaci załącznika do pracy. Ich miejsce w pracy jest w takiej formie niczym nieuzasadnione. 3.m) W równaniu 4.33 występuje przy N2 współczynnik równy 3,76 a w równaniu 4.35 ten współczynnik wynosi 3,773. Skąd wynika ta różnica? 3.n) Strona 55 coraz powszechniej do silników spalinowych stosuje się paliwa z domieszką paliwa pochodzenia roślinnego z udziałem tlenu. Należy w pracy podkreślić, że rozważania dotyczyły wyłącznie paliwa węglowodorowego. 3.o) 3.p) Rozdział pt. Adiabatic flame temperature Autor nie podał, który przypadek: Constant Pressure czy Constant Volume rozważa do obliczenia Ta. Strona 67 Wyidealizowany obieg Otto opisuje obieg silnikowy z ciepłem dostarczanym wyłącznie przy CV a nie dotyczy silnika z zapłonem iskrowym. 3.q) W rozdziale Doktorant stwierdził, że im krótszy przebieg spalania paliwa w cylindrze tym wyższa jest sprawność cieplna obiegu dążąc do przypadku idealnego wydzielania ciepła w stałej objętości charakterystycznego dla obiegu Otto. Natomiast w rozdziale Doktorant przedstawiając wpływ EGR na sprawność wskazuje, że ze wzrostem udziału spalin w świeżym ładunku, sprawność rośnie, jak to pokazał na rysunku Powszechnie wiadomo, że rozcieńczenie świeżej mieszanki spalinami wpływa na wydłużenie przebiegu spalania czyli odejście od spalania w CV. Zatem jak wytłumaczyć wzrost sprawności cieplnej ze wzrostem stopnia EGR/xb? 3.r) Tablice 8.1 i 8.4 mogłyby zawierać poziom dokładności modelu względem eksperymentu. Proponuje się uzupełnić wyniki o błąd względny, procentowy dla IMEP lub pracy jednostkowej W oraz dla ciśnienia maksymalnego i jego lokalizacji. 3.s) Gdzie znajduje się punkt zapłonu oraz czym jest drugi przebieg (oznaczony kolorem zielonym) na rysunku 8.17? Jeśli punkt zapłonu występuje później, aniżeli pojawienie się gwałtownego przyrostu ciśnienia spalania (oznaczony kolorem czerwonym), to czy można wówczas ten przebieg spalania diagnozować jako spalanie stukowe (znane jako spark knock ) wywołane samozapłonem mieszanki palnej spowodowanym sprężającym działaniem płomienia zainicjowanego wcześniej od świecy zapłonowej (Autor opisał to jako super-knocking) czy też będzie to przypadkowy samozapłon (znany jako knocking surface ignition ) od tzw. hot spots - gorących punktów w cylindrze? 5

6 3.t) W opisie do równania Arrheniusa energia aktywacji E nie powinna być w cal/mole, jeśli stała gazowa R jest w J/mol/K. 4. Uwagi edytorskie 4.a) Brak zbiorczego wykazu oznaczeń utrudnia rozpoznawanie wielu wielkości występujących w tekście. 4.b) Czy schematycznie przedstawione na rysunku 2.8 komory spalania 2 cylindrów silnika klasycznego nie powinny być zorientowane nieco inaczej? 4.c) Rysunek brak jednostek wymiarowych dla siły na osi pionowej. 4.d) Wzory 4.1 i 4.2 mają zamienione liczniki z mianownikami. 4.e) Należy unikać oznaczania tą samą literą różnych wielkości np. T użyto dla momentu obrotowego i temperatury, r - dla długości i indywidualnej stałej gazowej, itp. 4.f) Przykładowo wymiar J/molK gdzie K jest w mianowniku proponuje się pisać jako J/mol/K, m.in. na stronie 47 dla entropii i ciepła właściwego, str.49 stała gazowa R. 4.g) Na rysunku 4.15 proponuje się usunąć z opisu osi poziomej wyraz Crank. W silniku rewolwerowym prawdopodobnie nie ma wykorbienia/korby wału. 4.h) Jeśli IMEP jest pisane dużymi literami to isfc również powinno być napisane jako ISFC. 4.i) Opisy na rysunkach nie powinny być pisane czcionką większą niż czcionka podpisu rysunku (np. rys. 7.6). 4.j) Rozdziały od 8.1 do 8.3 można potraktować jako załącznik. Wniosek końcowy Pomimo wystąpienia kilku niedopowiedzeń i niedociągnięć, z pracy można wyselekcjonować materiał o dużej wartości poznawczej, który wskazuje na oryginalne i twórcze podejście do problematyki postawionej jako cel pracy. Należy ponadto podkreślić, że zdecydowana większość krytycznych uwag nie dotyczy głównego tematu pracy, którym było modelowanie wymiany masy i ciepła. Poziom zawartego w pracy materiału oraz osiągniętych wyników spełnia warunki stawiane pracom doktorskim. Podsumowując, rozprawa doktorska pana mgra inż. Jakuba Kalke spełnia kryteria prac doktorskich w świetle Ustawy o Stopniach i Tytule Naukowym i zgodnie z art.13 ust.1 tej ustawy stanowi oryginalne rozwiązanie problemu naukowego oraz wykazuje ogólną wiedzę teoretyczną kandydata w danej dyscyplinie naukowej oraz umiejętność samodzielnego prowadzenia pracy naukowej. Zatem, wnoszę o dopuszczenie tej pracy do publicznej obrony. 6