BADANIA MOŻLIWOŚCI POPRAWY WSKAŹNIKÓW EKOLOGICZNYCH SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ZASILANYCH PALIWAMI KONWENCJONALNYMI Z DOMIESZKĄ WODORU

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Paweł Fuć POLITECHNIKA POZNAŃSKA Instytut Silników Spalinowych i Transportu Poznań, ul. Piotrowo 3 Tel.: (0-48/61) , fax: (0-48/61) Tel. : (0-601) Poznań, dnia r. OCENA Rozprawy doktorskiej mgr. inż. Pawła Daszkiewicza pt.: BADANIA MOŻLIWOŚCI POPRAWY WSKAŹNIKÓW EKOLOGICZNYCH SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM ZASILANYCH PALIWAMI KONWENCJONALNYMI Z DOMIESZKĄ WODORU 1. Podstawa opinii: pismo Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej nr DR-63/492/02/2014 z dnia roku, do którego dołączono egzemplarz rozprawy doktorskiej. 2. Przedmiot opinii: rozprawa doktorska mgr. inż. Pawła Daszkiewicza liczy 121 stron, które zostały podzielone logicznie na 10 rozdziałów. Zasadniczy tekst pracy obejmuje 93 strony wraz z 99 rysunkami i 26 tablicami, 13 stron zawiera spis literatury oraz wykaz skrótów i oznaczeń, a także streszczenie w języku polskim i angielskim. W spisie literatury zamieszczono 104 pozycje (w tym 66 zagranicznych). Treść pracy można podzielić na trzy główne części. Pierwsza z nich obejmuje cztery pierwsze rozdziały, gdzie na ok. 35 stronach wyjaśniono istotę rozpatrywanego problemu badawczego oraz szczegółową analizę dostępnej na ten temat literatury. Część druga dotyczy problemu badawczego i związanej z nim metodyki badań, zawartych w rozdziałach 5 i 6, obejmujących łącznie ok. 20 stron. Trzecią część pracy stanowią oryginalne badania eksperymentalne, przeprowadzone według samodzielnie opracowanej metodyki i na samodzielnie zbudowanym stanowisku badawczym. Ta część pracy zawarta w rozdziałach 7, 8 i 9 obejmuje ok. 45 stron monografii. Podsumowaniem wszystkich wymienionych części pracy są obszerne wnioski zamieszczone na końcu rozdziałów związanych z badaniami na stanowisku silnikowym oraz podsumowanie zawarte w rozdziale 10. Dobierając taką strukturę pracy, jej Autor udowodnił, że potrafi przemyśleć i rozwiązać naukowy problem badawczy, zaplanować jego realizację zgodnie z zasadami prowadzenia badań naukowych, przeprowadzić badania eksperymentalne z wykorzystaniem światowej 1

2 klasy aparatury badawczej, zinterpretować otrzymane wyniki, a także wyciągnąć odpowiednie wnioski i je przedstawić. Z tych względów uważam, że układ pracy jest poprawny i odpowiada ogólnie przyjętym zasadom prowadzenia prac naukowych o charakterze badawczym. 3. Ogólna charakterystyka problematyki poruszanej w rozprawie Przedmiotem pracy była analiza wpływu dodatku wodoru do silnika badawczego o zapłonie samoczynnym na emisję spalin i wskaźniki ekologiczne silnika zasilanego dwupaliwowo. Wykonano ją na podstawie pomiarów toksyczności spalin i przebiegów ciśnień szybkozmiennych, przeprowadzonych przy użyciu nowoczesnej aparatury badawczej. Środkiem realizacji pracy była szczegółowa ocena współspalania wodoru z paliwem konwencjonalnym i innymi gazami palnymi dostarczanymi wraz z powietrzem do komory spalania. Pan mgr inż. Paweł Daszkiewicz w swej pracy podjął ważny problem badawczy, stale aktualny z naukowego punktu widzenia, dotyczący badania procesu współspalania gazowych paliw alternatywnych w dwupaliwowym silniku spalinowym. Wpisuje się to w ogólnoświatowe tendencje badawcze dotyczące zwiększenia sprawności oraz zmniejszenia obciążenia dla środowiska. Głównym tematem pracy są zagadnienia związane z poszukiwaniem nowego sposobu prowadzenia przemiany energetycznej w silniku w celu poprawy wskaźników roboczych i ekologicznych. Jest to szczególnie ważne i pożądane w obecnym czasie, gdyż obowiązujące i przewidywane przepisy prawne oraz oczekiwania użytkowników są coraz trudniejsze do spełnienia, a dotychczas znane i stosowane metody wyczerpują swoje możliwości rozwoju. W związku z tym konstruktorzy nowych silników spalinowych poszukują zupełnie nowych rozwiązań technicznych lub próbują sięgać po pewne, znane już idee, które jednak nie były wcześniej rozwijane ze względów technicznych lub ekonomicznych. Do takich idei należała m.in. zakładana w pracy kwestia chemicznej aktywacji mieszanki paliwowo-powietrznej zasilającej silnik spalinowy wzbogacanej wodorem. Wykonana praca ma charakter badań doświadczalnych, dotyczących możliwości praktycznego stosowania zaproponowanej idei współzasilania tłokowych silników spalinowych, czego efektem miał być wzrost sprawności zachodzących przemian energetycznych i zmniejszenie wskaźników ekologicznych. Przedstawione w pracy rezultaty badań zaprzeczyły możliwości skutecznej poprawy wskaźników emisyjnych powstałych przy współzasilaniu silnika o zapłonie samoczynnym, wskazano zależności pomiędzy rozpatrywanymi wielkościami. Problem naukowy, związany z przedstawioną ideą nie jest 2

3 wprawdzie nowy, ponieważ podobne prace na ten temat prowadzono w latach 90. ubiegłego wieku, lecz dotyczyły one głównie silników o zapłonie iskrowym. Współcześnie nawet niewielki wkład w wiedzę dotyczącą poprawy ich systemu spalania ma istotne, praktyczne znaczenie w skali globalnej. Biorąc pod uwagę masową skalę zastosowania silników spalinowych w różnych obszarach działalności człowieka jest to powód, dla którego liczne ośrodki naukowo-badawcze i przemysłowe prowadzą tego typu badania, często stosując nowe, zaawansowane technicznie technologie i przeznaczając na tego typu cele znaczne środki finansowe. Wagę problemu podkreśla również znacząca liczba współczesnych publikacji naukowych w tym obszarze badań, przytoczonych przez Autora, co dowodzi istnienia zapotrzebowania na badania tego typu. Z tego względu podjęta przez Autora rozprawy próba doświadczalnej oceny nowego systemu współspalania, w którym wykorzystywana jest nowa koncepcja pracy silnika zasilanego dwupaliwowo, świadczy o jego dobrym rozeznaniu w omawianej problematyce. Ponadto zaproponowana przez Autora pracy metoda wzbogacenia ładunku w wodór i współspalania go z innymi gazami palnymi w silniku o zapłonie samoczynnym oraz wykazanie, że w analizowanym przypadku nie może znaleźć zastosowania w istniejących jednostkach napędowych, jest wysoce wartościową wiedzą, dotąd nieporuszaną. Mając to na uwadze można uznać, że tematyka podjęta przez Autora pracy jest uzasadniona pod względem poznawczym, a na płynące z niej wnioski o braku możliwości współspalania wodoru dostarczanego do kanału dolotowego jako mieszankę powietrzno- -wodorową klasyfikuje ją w obszar praktyki technicznej. Zawarte w pracy wyniki badań i analiz, które uzyskano z zastosowaniem nowoczesnego aparatu badawczego dotyczyły szerokiego zakresu zmienności parametrów i wskaźników sterujących. Wskazuje to na rzetelność i dociekliwość badawczą Autora oraz pozwoliło na wnioskowanie o charakterze uogólnionym. W związku z tym przedstawioną pracę można uznać za oryginalne dzieło o dużym znaczeniu dla rozwoju silników spalinowych, a podjętą w pracy problematykę za aktualną, ciekawą i współcześnie istotną. 4. Ogólna charakterystyka najistotniejszych, zdaniem recenzenta, elementów rozprawy doktorskiej W swych badaniach mgr inż. Paweł Daszkiewicz podjął próbę rozpoznania możliwości zastosowania wzbogacania ładunku silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym za pomocą dostarczanego do kolektora dolotowego wodoru, w celu poprawy wskaźników roboczych i ekologicznych. Wyniki badań wykazały jednak, że wodór spalany w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczynnym nie poprawia własności emisyjnych i termodynamicznych jednostki 3

4 napędowej. Właściwa treść rozprawy zaczyna się od rozdziału 2, w którym Autor pracy przeprowadził rzetelne badania literatury w tym zakresie i przytoczył przykłady badań, nawiązujących do poruszonej tematyki. We wszystkich przypadkach badania te miały inne cele, a ich rezultaty nie pozwalały na jednoznaczną ocenę ich wartości naukowej i utylitarnej. W przypadku badań mgra Daszkiewicza, głównym celem naukowym było określenie wpływu stosowania ładunku wzbogaconego w wodór na zmianę parametrów roboczych silnika oraz na wielkość emisji toksycznych składników spalin. Starannie opracowano rosnące zaostrzenia norm emisji spalin dla silników PC, LDV i HDV. Wskazano kierunek rozwiązania problemu ograniczenia CO 2 przez zastosowanie paliw alternatywnych w stosunku do ON. Ponadto w części wstępnej monografii opracowano systematykę metod dostarczania gazowego paliwa alternatywnego. Autor wyszczególnił tu metodę ciągłego dostarczania paliwa gazowego do kolektora dolotowego przez potocznie zwany mikser, metodę sekwencyjnego wtrysku paliwa gazowego do kolektora dolotowego oraz metodę polegającą na bezpośrednim wtrysku paliwa gazowego do komory spalania po samozapłonie zainicjowanym przez dawkę ON. Ta logicznie ułożona i opisana systematyka opracowana została starannie i w sposób jasny wprowadza czytelnika w zagadnienia związane z tematyką określoną tytułem monografii. Rozdział 3 przejawia charakter elementarnej wiedzy akademickiej dotyczącej analizy powstawania związków szkodliwych dla organizmu człowieka i środowiska naturalnego, co z naukowego punktu widzenia mogłoby zostać pominięte. Rozdział 4 jest kontynuacją studiów literaturowych w zakresie ograniczonym do właściwości wodoru, jako paliwa stosowanego do zasilania tłokowych silników spalinowych o zapłonie samoczynnym. W rozdziale tym Autor przytacza wybrane metody pozyskiwania wodoru, komentuje je i interpretuje. Ta część pracy pozwala na zapoznanie czytelnika z właściwościami fizycznymi i chemicznymi wodoru oraz charakterystykami pozwalającymi na spalanie wodoru w silniku o zapłonie samoczynnym. W rozdziałach 5 i 6 przedstawiono problem badawczy, zawierający cel i tezę pracy, sposób rozwiązania zadania badawczego oraz metodykę badań. Do realizacji rozprawy wykorzystano obiekt badawczy, będący silnikowym stanowiskiem hamulcowym z asynchronicznym hamulcem prądnicowym, układem zasilania typu Common Rail IV generacji oraz układem zasilania paliwa gazowego (wodór, acetylen i LPG). Zastosowano nowoczesną aparaturę pomiarową emisji szkodliwych składników gazów wylotowych, jak również system do rejestracji przebiegów szybkozmiennych, których rejestracja została wzajemnie zsynchronizowana. Świadczy to o dużej wartości poznawczej dla czytających oraz stawia przedstawioną dysertację w grupie opracowań o wysokim standardzie naukowym. Ponadto w rozdziale tym Autor oszacował niepewność pomiarową przeprowadzoną dla wybranych 4

5 badań. Wynika z nich jednoznacznie, że wraz ze wzrostem ilości dostarczanego do kolektora dolotowego wodoru mamy do czynienia z sytuacją, w której zwiększa się tym samym niepewność pomiarowa, zmniejsza się koncentracja wartości stężeń analizowanych związków wokół pewnej wartości, czyli można powiedzieć o większym rozrzucie statystycznym. Rozdziały 7, 8 i 9 to analiza badań silnika AVL 5804 zasilanego olejem napędowym z dodatkiem wodoru, olejem napędowym z dodatkiem gazu LPG i wodoru oraz olejem napędowym z dodatkiem acetylenu i wodoru. W każdym z tych rozdziałów przedstawiono dedykowaną metodykę doboru kątów początku wtrysku dawki inicjującej zapłon ON i algorytm przy zasilaniu dwupaliwowym z dodatkiem wodoru, z dodatkiem wodoru i gazu LPG oraz wodoru i acetylenu. Przedstawiono charakterystyki obciążeniowe dla 5, 10 i 15 Nm i prędkości obrotowych 1000, 1500 i 2000 obr/min, dla których rejestrowano zawartość składników szkodliwych w spalinach, tj.: CO, CO 2, HC, NO x i PM. Ponadto przedstawiono wybraną charakterystykę obciążeniową dla każdego z analizowanych przypadków, przy czym ograniczono się do jednej prędkości obrotowej n = 1500 obr/min i obciążenia M o = 15 Nm. W podrozdziale 7.5 Autor przeprowadził analizę zmian chemicznych oleju napędowego z dodatkiem wodoru, opisał inicjujące reakcje zachodzące pomiędzy danym węglowodorem RH, a tlenem cząsteczkowym i wodorem, w wyniku czego uzyskano przedstawione w dysertacji pogorszenie procesu spalania i wskaźników ekologicznych. W analizie tej wykazano, że w wyniku reakcji wodoru z węglowodorami zawartymi w oleju napędowym najprawdopodobniej nie zachodzi najważniejsza reakcja wodoronadtlenków z wyjściowym węglowodorem. W pracy wykazano, że wodór może inhibitować wolnorodnikowe reakcje spalania, a także może w sposób naturalny dezaktywować tlenki przekształcając je na wodę, co hamuje rozwój łańcuchowych reakcji spalania. Każdy z rozdziałów podsumowano szczegółowymi wnioskami. Taki tok postępowania świadczy o staranności prowadzonych badań i dojrzałości badawczej Autora pracy. Rozdział 10 to wnioski końcowe, sformułowane na podstawie przeprowadzonych badań własnych i analiz, w których sformułowano wnioski główne i metodologiczne oraz szczegółowe. Ze względu na niewyczerpanie tematu i powstałe w wyniku realizacji badań wyniki sprzeczne z oczekiwanymi Autor sformułował kierunki dalszych prac. Oryginalność rozprawy Nie są mi znane wcześniejsze badania nad wpływem dodatku wodoru dostarczanego do kolektora dolotowego tworzącego mieszankę powietrzno-wodorową współspalaną z paliwem konwencjonalnym i innymi gazami palnymi zasilającym jednocylindrowy, dwupaliwowy 5

6 silnik o zapłonie samoczynnym. Dlatego uważam przedstawione opracowanie za oryginalne, opierające się na przesłankach naukowych nie zweryfikowanych dotychczas w takim zakresie doświadczalnie. Wartość naukowa i aplikacyjna Sformułowany w pracy problem, że możliwa jest poprawa wskaźników ekologicznych silników o zapłonie samoczynnym zasilanych paliwami konwencjonalnymi z domieszką wodoru przy zachowaniu osiągów porównywalnych z osiągami silnika o zapłonie samoczynnym oraz badawcza weryfikacja takiej tezy ma charakter problemu naukowego o istotnych walorach poznawczych i potencjalnie dużym, choć dzisiaj trudnym do przewidzenia znaczeniu. Zastosowane metody badawcze Do stwierdzenia zasadności postawionej tezy zastosowano metodę weryfikacji doświadczalnej. W przeprowadzonych pomiarach wykorzystane zostały urządzenia i układy pomiarowe o najwyższej jakości obecnie dostępnej na świecie. Zastosowano unikatową aparaturę do badań w warunkach stacjonarnych. Zastosowana metodologia jest logicznie spójna i została konsekwentnie zastosowana. Wykaz literatury Cytowana literatura obejmuje 104 pozycje, jej wybór świadczy o rzetelności przeprowadzonych studiów nad zagadnieniami związanymi z tematem rozprawy, nie tylko ze względu na liczbę pozycji w wykazie, lecz także na sposób i zakres jej wykorzystywania w tekście. 5. Uwagi ogólne i krytyczne 1) Zaproponowana idea zasilania silnika mieszanką wzbogaconą w wodór ma obecnie małą szansę na praktyczne zastosowanie. Może mieć przyszłość, pod warunkiem rozwoju nowych technologii uzyskiwania wodoru lub opracowania nowych paliw zawierających duży udział tego pierwiastka pod warunkiem dostarczania paliwa do silnika o zapłonie iskrowy, co wykazano w pracy. Obecnie badania w tym obszarze powinny dotyczyć zakresu prac podstawowych, związanych ze sposobem zasilania i metodą bezpośredniego dostarczenia wodoru do komory spalania po zainicjowaniu zapłonu przez olej napędowy. 2) Zbyteczne jest umieszczenie w części wstępnej monografii opisów dotyczących zagadnień powszechnie znanych, opisanych w podstawowych podręcznikach z zakresu powstawania związków szkodliwych pochodzących ze spalin silników spalinowych, jak np. cząstki stałe, tlenek i dwutlenki węgla, tlenki azotu i węglowodory. 6

7 3) Uzyskane wyniki badań parametrów roboczych silnika nie uwzględniają faktu konieczności poboru mocy na potrzeby wytworzenia wodoru, ponieważ wodór czerpany był z zewnętrznego źródła. W związku z tym należało wyjaśnić, że wyniki badań służą jedynie zbadaniu wpływu wodorowego wzbogacenia ładunku cylindra na parametry pracy silnika i stężenie toksycznych składników w spalinach czy też przyświecały autorowi jakieś inne przesłanki? 4) Z przedstawionych w pracy informacji nie wynika czy uwzględniono w trakcie przeprowadzania badań kwestię wynikającą ze zwiększenia zapotrzebowania powietrza do spalenia wodoru, która jest dwukrotnie większa a niżeli dla paliw konwencjonalnych. 5) W rozdziale 4 nie podano wyczerpujących informacji na temat właściwości pozostałych, analizowanych gazów palnych (propan-butan, acetylen) klasyfikujących je jako paliwa dla silnika o zapłonie samoczynnym. Ponadto nie uzasadniono czym kierowano się przy wyborze współspalanych gazów palnych z paliwem konwencjonalnym i wodorem. 6) W podrozdziałach 7.4, 8.3 i 9.3 dokonano analizy przebiegu procesu spalania w silniku badawczym AVL 5804 zasilanym konwencjonalnie z różnymi udziałami analizowanych w pracy alternatywnych gazów palnych tylko dla prędkości obrotowej wynoszącej 1500 obr/min i obciążenia 15 Nm. Nie wyjaśniono natomiast czym podyktowany był wybór właśnie tej prędkości obrotowej i obciążenia oraz dlaczego nie przedstawiono charakterystyk dla innych prędkości i obciążeń. 6. Uwagi szczegółowe Wers 2 str. 78 Autor pisze, że pełną ocenę osiągów i stężeń silnika zasilanego jednopaliwowo oparto na analizie wykresów indykatorowych i stężeń emisji związków toksycznych, powinno być:... oparto na analizie wybranych wykresów indykatorowych. Słaba czytelność niektórych wykresów przedstawiających zmiany stężeń, w przypadku wartości bardzo zbliżonych do siebie wskazane byłoby zamieszczenie tabeli z podaniem wartości wyników poszczególnych stężeń. Wers 3 str. 81 Autor pisze:... do komory spalania; co było parametrem zmiennym, powinno być:... do komory spalania, co było parametrem zmiennym. Błędne podpisy rysunków 7.18, 7.19, 8.18, 8.19 oraz 9.18, Z analizowanych wyników i opisów w tekście wynika jednoznacznie, iż zmiany przebiegów ciśnień i szybkości ich narastania w funkcji kąta obrotu wału korbowego przedstawiono dla prędkości 1500 obr/min, natomiast rysunki podpisano n = 1000 obr/min. 7

8 Ponadto stwierdzono sporo niedociągnięć redakcyjnych, błędów stylistycznych i interpunkcyjnych, które nie umniejszają mojej pozytywnej oceny rozprawy. Uwagi omówiono w czasie bezpośredniej dyskusji z Doktorantem, podczas której wykazał się dużą erudycją, głęboką wiedzą oraz znacznym zaangażowaniem w tematykę rozprawy. Mimo uwag krytycznych, wielu dyskusyjnych, oceniam wysoko realizację postawionego zadania ze względu na: prawidłowe określenie i zdefiniowanie przedmiotu badań, rzeczowy sposób prezentacji wyników, sumienność wykonania poszczególnych etapów pracy, dzięki czemu praca zawiera elementy, świadczące o nowatorskim wkładzie Autora w rozważaną dziedzinę, wykazane przez Autora dobre rozeznanie w prezentowanych dziedzinach wiedzy, wymierne osiągnięcia teoretyczno-aplikacyjne, pozwalające na szereg spostrzeżeń i wyciągnięcie interesujących wniosków. 7. Osiągnięcia Autora Autor rozprawy ma w swoim dorobku 28 wartościowych publikacji krajowych i 9 zagranicznych w tym 6 wygłoszonych referatów (min. na Międzynarodowej Konferencji w Dżakarcie Indonezja). Ponadto cenne są opracowania naukowe przy współpracy z przemysłem np. firmą produkującą autobusy miejskie Solaris czy też Instytutem Pojazdów Szynowych w Poznaniu. Świadczy to o dojrzałości badawczej mgr. inż. Pawła Daszkiewicza. 8. Podsumowanie i konkluzja Rozprawa doktorska mgra inż. Pawła Daszkiewicza jest wartościowym i aktualnym opracowaniem o charakterze studyjnym, które wnosi istotne treści poznawcze i wskazuje nowe kierunki rozwoju i doskonalenia metod związanych z zasilaniem silników o zapłonie samoczynnym paliwem konwencjonalnym i alternatywnymi paliwami gazowymi. Mgr inż. Paweł Daszkiewicz wykazał się umiejętnością samodzielnego formułowania i rozwiązywania zadań naukowych na poziomie prac doktorskich i reprezentuje wysoki poziom wiedzy w dziedzinie tematyki rozprawy. Stwierdzam, że przedstawiona przez Pana mgr. inż. Pawła Daszkiewicz rozprawa doktorska spełnia wymagania stawiane przez ustawę: o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach w zakresie sztuki z dnia 14 marca 2003 roku, w zakresie rozpraw doktorskich i stawiam wniosek o dopuszczenie Autora do publicznej obrony. Podpis recenzenta 8