dr hab. inż. Ireneusz Pielecha, prof. PP Instytut Silników Spalinowych i Transportu Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Politechnika Poznańska Poznań, 24 marca 2017 r. RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr. inż. Piotra Molika pt. Analiza parametrów szybkozmiennych I ekologicznych doładowanego silnika o zapłonie iskrowym w warunkach statycznych I podczas rzeczywistej eksploatacji (promotor: dr hab. inż. Paweł Fuć, prof. PP) Podstawa opracowania: Zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej Nr DR-63/499/02/2017 z dnia 4.03.2017 r. 1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ROZPRAWY Systemy spalania silników o zapłonie iskrowym w odniesieniu do systemów silników o zapłonie samoczynnym mają obecnie zbliżoną konstrukcję. Z tego względu wśród konstruktorów silników spalinowych istnieje konieczność i potrzeba ich ciągłego rozwoju w celu osiągnięcia konstrukcji pozwalającej na spełnienie przeciwstawnych wymagań: dążenie do stosowania systemu bezpośredniego wtrysku paliwa przy spełnieniu rygorystycznych norm emisji spalin z jednoczesnym ograniczeniem zużycia paliwa. Metodą poszukiwania rozwiązania jest już nie tylko maksymalizacja ciśnienia wtrysku paliwa, wielokrotny podział dawki, ale sterowanie procesem prowadzące do ograniczania głównie stężenia tlenków azotu oraz liczby i masy cząstek stałych. Cząstki stałe przyczyniają się do globalnego ocieplenia klimatu przez emisję węgla tzw. black carbon. W Unii Europejskiej pojazdy spalinowe emitują około 20% drobnych cząstek określanych mianem PM2.5. Współczesne badania pojazdów wykazują, że emisja liczby cząstek stałych z silników ZI DI bez filtrów jest większa niż z silników ZS wyposażonych w takie filtry. Szacuje się, że do roku 2030 liczba cząstek stałych z pojazdów z silniami ZI DI będzie większa niż z silników ZS. Silniki ZI DI emitują zazwyczaj od 10 do 40 razy więcej masowo cząstek stałych oraz ponad 1000 razy więcej cząstek niż silniki benzynowe wyposażone w silniki o wtrysku pośrednim.
S t r o n a 2 Ze względu na usankcjonowanie, już obecnie, emisji cząstek stałych (masy i liczby) w przepisach dotyczących badań homologacyjnych, a w przyszłości także podczas badań drogowych, tematyka zaproponowana przez Doktoranta jest bardzo aktualna. Doktorant, mgr inż. Piotr Molik podjął w pracy właśnie takie zagadnienie, stawiając sobie za jego cel, rozpoznanie możliwości zastosowania układów filtracyjnych za pomocą badań eksperymentalnych oraz symulacyjnych. Rozprawa liczy 128 stron tekstu obejmującego 6 rozdziałów, wykaz skrótów i oznaczeń oraz spis literatury zawierający 104 pozycje. W rozdziale pierwszym zatytułowanym Wstęp, Doktorant przedstawił krótkie wprowadzenie w zagadnienie tematyki rozprawy oraz cel i zakres pracy. Wydaje się, że postawiony już na wstępie cel może być przedwczesny. Zasadne byłoby więc jego umieszczenie po krytycznym przeglądzie literatury i ocenie bieżących działań w tym temacie. W kolejnym, drugim rozdziale, dokonano przeglądu przepisów emisji zanieczyszczeń z pojazdów osobowych. Wskazano na uwarunkowania badań drogowych uwzględniających pomiary emisji spalin oraz dokonano analiz rozwiązań konstrukcyjnych silników ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny w aspekcie poprawy parametrów ekologicznych. Rozdział trzeci dotyczy analizy wielkości szybkozmiennych w cylindrze silnika spalinowego. Jego pojawienie się w pracy nie jest w żaden sposób zasygnalizowane i umotywowane. Podrozdziały 3.1 oraz 3.2 dotyczą podstaw procesu spalania w silniku o zapłonie iskrowym oraz podstaw pomiarów procesów szybkozmiennych i mogłyby być z powodzeniem pominięte, gdyż nie wnoszą treści merytorycznych, do których Autor odwołuje się w dalszych rozdziałach podczas analiz wyników badań. Pozostała część tego rozdziału ( Wykorzystanie analizy wykresu indykatorowego ) zawiera istotne treści, mające wpływ na prowadzone analizy przez Doktoranta. Rozdział czwarty zatytułowano Metodyka badań. Przedstawiono w nim obiekty badawcze oraz aparaturę pomiarową. W rozdziale tym brak zestawienia zarówno obiektów badawczych i aparatury, co powoduje, że do końca nie wiadomo jaki był układ i plan badań i wykorzystanej do danych celów aparatury. W dalszej części tego rozdziału pojawia się stanowisko hamowniane, którego silnik spalinowy jest obiektem badawczym, a nie został we właściwym miejscu wymieniony. Istotną częścią tego rozdziału jest metodyka oceny zakresów pracy silnika, gdyż jest ona wskazana jako autorska koncepcja analiz również w odniesieniu do oceny emisji silnika w badaniach drogowych.
S t r o n a 3 Wynikami badań własnych i ich analizą Autor zajął się w rozdziale piątym. Część zawartych tutaj treści mogłaby być umieszczona w rozdziale dotyczącym metodyki prac badawczych. Sam tytuł tego rozdziału wskazuje na wyniki badań, a zawarto w nim częściowo sposób prowadzenia badań. Rozdział ten stanowi najbardziej obszerną część pracy Doktoranta. Zawarto w nim badania emisji w warunkach drogowych, a na podstawie warunków pracy silnika dokonano wyboru filtra cząstek stałych. Następnie wykonano badania stanowiskowe oraz symulacyjne. Pracę kończy Podsumowanie i Wnioski. W rozdziale tym dokonano syntezy badań oraz przedstawiono szczegółowe wnioski uzasadniające rozwiązanie problemu naukowego. 2. OCENA ROZPRAWY 2.1. Uwagi ogólne Pod względem merytorycznym i metodycznym pracę oceniam dość wysoko, gdyż ogólnie odpowiada postawionemu celowi naukowemu, zakresowi pracy (mimo, że wiele z przedstawionych prac badawczych jest czysto technicznych) i jest dostosowana do obowiązujących w tym zakresie wymogów. Układ logiczny treści rozprawy jest dość przejrzysty (pewne uwagi zaprezentowano wcześniej przy omawianiu zawartości pracy), a prezentowane treści są ze sobą dość dobrze powiązane w aspekcie rozpatrywanych zagadnień. Pewnym ograniczeniem rozprawy jest brak powiązania między niektórymi treściami zawartymi w początkowych rozdziałach dotyczących procesu spalania z wynikami badań, co powoduje, że warstwa interpretacyjna wyników mimo, że jest dość obszerna nie nawiązuje do treści przedstawionych w początkowych rozdziałach. Autor dokonał szerokiej prezentacji wyników swych rozważań, opisał przeprowadzane badania eksperymentalne i symulacyjne (dotyczy to rozdziału oceny środowiskowej proponowanej modyfikacji układu oczyszczania spalin) oraz starał się nadać ich wynikom charakter danych przydatnych do analiz pracy silnika spalinowego w warunkach drogowych. Wnioski z przeprowadzonych analiz i badań są sformułowane trafnie i adekwatnie do ich zakresu i charakteru. Całość pracy cechuje staranna jej redakcja i poprawny styl pisarstwa (szczególnie w obszarze prezentacji wyników). Najważniejsze osiągnięcia pracy:
S t r o n a 4 1. Sformułowanie ciekawego, wynikającego z praktycznego zastosowania problemu dotyczącego emisji cząstek stałych w zakresie liczbowym, ale także masowym z silników o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny. 2. Dyskretyzacja warunków pracy silnika na podstawie jego dwuwymiarowej charakterystyki, która umożliwia dodatkowo ekologiczną ocenę testów w warunkach drogowych. 3. Wyznaczenie wskaźników ekologicznych silników w badaniach drogowych pojazdów i ich przełożenie na badania hamowniane z uwzględnieniem charakterystyk czasowych pracy silnika. 4. Staranne i przejrzyste wykonanie pracy. Poprawny język techniczny i konsekwencja w stosowaniu terminologii. Budzi jednak pewien niedosyt lub zastrzeżenia kilka fragmentów rozprawy, które nie obniżają mojej ogólnej, pozytywnej oceny wszystkich aspektów pracy (wyboru tematu, uzasadnienia, analiz, przeprowadzonych badań, wnioskowania, itp.). 1. Tytuł rozprawy dotyczy szeroko pojętych badań silnikowych z uwzględnieniem wielkości szybkozmiennych w zróżnicowanych warunkach badań silnika. Z tytułu nie wynika więc chęć zastosowania i badania układu oczyszczania spalin jakim jest filtr cząstek stałych silnika o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Wydaje się, że Autor potrzebował danych o stanie pracy silnika w celu doboru filtra, jednak sam silnik nie był tu kluczowym zagadnieniem. Czy więc tytuł w pełni oddaje zawartość pracy? Czy na jego podstawie można spodziewać się przedstawionych zagadnień w pracy? 2. Analiza literatury i rozwoju danej dziedziny powinna być prowadzona do końcowych etapów pisania pracy doktorskiej. Autor stwierdza, że downsizing jest obecnym kierunkiem rozwoju silników spalinowych, podając, że zwiększy się udział silników dwu i trzycylindrowych. Czy rzeczywiście jest to obecnie tendencja rozwoju silników? 3. Czy opisywana w pracy procedura wyznaczania ciśnienia bezwzględnego była wykorzystana do analiz przebiegu ciśnienia wewnątrz cylindra? Czy współczynnik poprawkowy z wykorzystano do analiz temperatury wewnątrzcylindrowej? 4. W metodyce badań zestawiono znaczną liczbę danych technicznych analizatorów i innych urządzeń. Brakuje jednak tego układu, który występuje w tytule pracy. Nie podano danych technicznych czujnika ciśnienia spalania. Nawet nie podano jego
S t r o n a 5 oznaczenia. Brak charakterystyki technicznej nie pozwala na stwierdzenie jakości zastosowanego w tym przypadku narzędzia pomiarowego. 5. W jakim celu dokonano analiz masy cząstek stałych w zróżnicowanych warunkach badań (testy drogowe), jeśli na podstawie analiz literatury stwierdzono, że pomiary takich składników nie będą wymagane dodatkowymi normami Euro 6c? W jakim celu dokonano więc także pomiarów węglowodorów? 6. Czy obciążenie silnika spalinowego powinno być analizowane w kontekście maksymalnego ciśnienia w cylindrze? Jeśli dokonano pomiarów ciśnienia w cylindrze, to wskaźnikiem obciążenia powinno być średnie ciśnienie indykowane. Jednak, jeśli mierzono z użyciem systemu OBD względne obciążenie silnika to w jakim celu powstał rozdział 5.1.4? Co Autor chciał udowodnić? Dlaczego wykonuje się badania pośrednie obarczone większym błędem zamiast pomiarów bezpośrednich? 7. S. 84. Określenie uproszczonego pola pracy silnika spalinowego na podstawie kilku przejazdów jest działaniem prawidłowym, jednak wydaje się, ze uzyskane wartości udziałów czasu pracy powinny być rozszerzone na większe pole tej charakterystyki. Analiza uśrednionego pola pracy i pól składowych wskazuje na istnienie dużych rozbieżności. Autor nie skomentował tego zagadnienia. Rys. 5.52 wskazuje na 100% udziału wąskich pól pracy, co oznacza, że silnik spalinowy w pozostałych warunkach nie pracuje. Można się z tym zgodzić w przypadku napędu hybrydowego (full hybrid) jednak w odniesieniu do samodzielnej jednostki napędowej silnika spalinowego, nie jest to całkowicie prawidłowy obszar pracy. Proszę o wyjaśnienie tej metodyki i wskazanie ewentualnych zmian w tym algorytmie. 8. Dlaczego wyniki badań hamownianych dotyczących emisji masy cząstek stałych (1,0E+11) nie pokrywają się z wynikami badań drogowych (1,6E+13). Różnice wynoszą kilka rzędów? Brak jest komentarza na temat takich rozbieżności. 9. Czy słuszne jest formułowanie wniosków na podstawie badań emisji drogowej np. liczby cząstek stałych bez filtra cząstek stałych, późniejszej analizie na stanowisku hamownianym z filtrem oraz symulacyjnej weryfikacji jego sprawności w punktach stałych obciążeń? Czy możliwe jest przeniesienie tych rozwiązań na warunki drogowe bez ostatecznych badań? Jaki błąd jest popełniany? Czy jest on akceptowalny? 10. S25. Autor pisze: Ze względu na ciągły rozwój silników spalinowych ( ) wiele państw wprowadziło bardziej rygorystyczne i skomplikowane normy emisji. Czy rzeczywiście kolejność działań jest prawidłowa? Czy normy są dostosowywane do sil-
S t r o n a 6 ników czy silniki do norm emisji? Czy można mówić o skomplikowanych normach, czy skomplikowanych testach? 2.2. Uwagi szczegółowe Rozprawa jest starannie opracowana pod względem redakcyjnym. Zwraca uwagę ogólnie poprawny zapis jednostek miar i bardzo dobra czytelność zamieszczonych (w dużej liczbie) rysunków. Terminologia stosowana w pracy jest ogólnie poprawna i konsekwentnie przestrzegana. Poniżej przedstawiono wybrane uwagi szczegółowe: Uwagi edytorskie 1. S5. W wykazie skrótów istnieją błędy językowe i błędy tłumaczenia. AC prąd zmienny, LPG ciekły gaz, DOHC podwójny wałek rozrządu?? 2. S8. Niewłaściwe sformułowania językowe: Priorytetem w polityce ( ) jest uporanie się 3. S9. Brak odnośników do rysunku 1.2. 4. S15. Nieprawidłowe odwołania w tab. 2.1. 5. S15. Nieprawidłowa grafika na rys. 2.1. 6. S16. Brak wyjaśnienia skrótu PMP. 7. S19. Pojawiają się zamiennie opisy angielskie oraz polskie, np. ZI DI lub SIDI. 8. S23. Na jakiej podstawie stworzono tablicę 2.6? Czy Autor samodzielnie zmierzył te wielkości czy korzystał z danych literaturowych tworząc taką matrycę danych? Czy nie powinien pojawić się odnośnik literaturowy? 9. S54. Nieprawidłowy podpis rysunku 4.18. 10. S56. Zamienne stosowanie nazwy WLTC i WLTP. Jeden to cykl jezdny a drugi to procedura. Dlaczego Autor stosuje zamienność tych skrótów? 11. S59. Błędnie przypisana literatura [2]. 12. S. 88. Brak wyjaśnienie OFA? Uwagi merytoryczne 1. S1. Tytuł pracy. Jakie parametry szybkozmienne analizowano w rozprawie?. Dodatkowo nie wyjaśniono w pracy zagadnienia warunków statycznych. 2. S4. Streszczenie. Czy badania stanowiskowe są próbą poprawy właściwości ekologicznych obiektów badawczych. W jaki sposób tego dokonano?
S t r o n a 7 3. S10. Autor przytaczając wartości ciśnienia wtrysku benzyny podaje 400 bar. Proszę o wyjaśnienie w jakich rozwiązaniach silników stosuje się takie wartości? Jakie wartości są rzeczywiście stosowane? 4. S11. Cel i zakres pracy. Czy celem rozprawy jest analiza parametrów ekologicznych doładowanego silnika( ). Czy cel nie powinien być naukowy? Z tego tekstu wynika że cel jest czysto techniczny? W dalszej części Autor pisze, że przeprowadził studium literatury dotyczące zagadnień ekologicznych, którego nie ma. Pojawia się ono później w kolejnym rozdziale. Dlaczego więc Autor formułowania celu naukowego dokonał bez przedstawienia odpowiednich zagadnień, które będą poruszane w pracy? 5. S23. Co oznacza tryb warstwowy podczas wtrysku paliwa? 6. S24. Czy podczas wtrysku paliwa o dużym ciśnieniu w układach DI wymagane jest dodatkowe podgrzewanie paliwa o którym pisze Autor? W jakim celu taki zabieg należałoby stosować? 7. S25. Co oznacza skrót mieszanka etanolu jako paliwa? 8. S27. Jakie parametry szybkozmienne Autor analizował w rozdziale 3? 9. S27. Błędne sformułowanie Po wejściu do cylindra mieszanka ogrzewa się 10. S27. Błędne sformułowanie ( ) istotny wpływ na przebieg procesu spalania po zainicjowaniu go iskrą elektryczną ma to, co wytworzyło się w mieszance przed zapłonem. Co oznacza taki zapis? 11. S27. Przedstawiona analiza procesu spalania nie za bardzo jest związana z konstrukcjami silników o bezpośrednim wtrysku benzyny. Opisano tu ogólne czynniki mające wpływ na proces spalania, ale nie powiązano ich z typowymi problemami silników o bezpośrednim wtrysku benzyny. 12. S32. Dlaczego nie powiązano treści z punktu 3.1 analiza procesu spalania z kolejnym dotyczącym badań indykatorowych? 13. S32. Co oznacza optymalizacja procesów spalania? Czy jest ich kilka? 14. S33. Autor pisze: ( ) silniki spalinowe stosowane w komunikacji mogą pracować z prędkościami maksymalnymi rzędu 8000 13000 obr/min. Jakie ma to znaczenie w badaniach indykatorowych? Czy są to prędkości występujące w typowych warunkach ruchu i typowych silnikach? 15. S33. Czy maszyna zawsze będzie silnikiem spalinowym? A jeśli określenie to dotyczy silnika elektrycznego to badania indykatorowe czego miałyby dotyczyć?
S t r o n a 8 16. S35. Brak odnośnika literaturowego rys. 3.4. Czy takiego układu (znacznika położenia wału korbowego) użyto w badaniach? Czy wspominany enkoder fotoelektryczny ma rozdzielczość 1024 punktów? To w jaki sposób uzyskać można rozdzielczość 0,5 lub 1 deg OWK? 17. S36. Czy w badaniach indykatorowych wystarczą dwa kanały: ciśnienie w cylindrze i jeden znak na obrót wału? 18. S38. W jaki sposób wyznaczono temperaturę w cylindrze nie analizując masy czynnika? 19. S39. W jakim celu wymieniono optyczne wskaźniki oceny nierównomierności pracy silnika? 20. Wydaje się, że część opisów dotyczących wyznaczania wielkości szybkozmiennych powinna znaleźć się w metodyce badań (rozdział 4) a nie w rozdziale 3. 21. S41, S50. W danych technicznych przedstawiono dwie różne moce silnika (w pojeździe i na stanowisku hamownianym), a w tekście pracy Autor pisze o jednakowych obiektach badawczych. Czy są to te same silniki czy jednak opis jest prawidłowy? 22. S47. Czy rejestracji procesów szybkozmiennych dokonano z częstotliwością 1 MHz? To w takim razie jak można było przy zmiennej prędkości obrotowej uzyskać rozdzielczość 1 deg OWK? 23. S47. Czy rzeczywiście rejestrowano procesy zachodzące wewnątrz komory spalania czy tylko skutki w postaci ciśnienia? 24. S48. Czy liniowość wejścia układu AVL IndiMicro 602 wynosi ±0,01%? Co to oznacza? 25. S48. Czy układ AVL 602 jest analizatorem? Co analizuje? 26. S54. W jaki sposób wyznaczono wartości średnie przedziałów liczbowych? Czy komórki przylegające powinny być uwzględnione? Proszę o wyjaśnienie. 27. S58. Dane w tabeli dotyczą wymagań testów RDE, a literatura odnosi się do układu IndiMicro [5]. 28. S59. Czy trasa badawcza była jedna, czy było kilka tras? Dlaczego Autor pisze o zbliżonej trasie badawczej? 29. S63 (S64). Dlaczego w opisie trasy pozamiejskiej (autostradowej) stwierdzono, że brak jest zakresu dopuszczalnego prędkości, jeśli w tab. 5.2 taka wartość występuje? 30. S71. Czy ciśnienie w cylindrze jest parametrem szybkozmiennym? Czy rejestrowano sygnał z czujnika położenia wału korbowego?
S t r o n a 9 31. S72. W jaki sposób zestawiono ze sobą Pmax, n oraz natężenie emisji składników spalin? Czy pomiar/odczyt emisji następował dokładnie w punkcie Pmax? 32. S75. Jakiego wskaźnika do CoV użyto podczas tych analiz? Zmiany danych wielkości emisji nie odbywały się wokół wartości ustalonej, a CoV% uzyskano o wartościach np. 1084% lub 507%. Dlaczego nie odniesiono się do tych wyników? 33. S. 89. (Etapy badań). Badania weryfikacyjne prowadzone na stanowisku hamownianym uwzględniają badania emisji bez oraz z filtrem. Bezkrytycznie uznano, że badania takie nie zmieniają warunków procesu spalania. Czy takie założenie było słuszne? 34. S. 93. Czy wyznaczano wywiązywanie ciepła czy jego szybkość? Autor stosuje jedno oznaczenie dq a dwa znaczenia. W tym zakresie jest również mowa o CoV, ale nie wiadomo z jakiej wielkości? 3. PODSUMOWANIE Na podstawie analizy treści stwierdzam, że oceniana praca mieści się w dyscyplinie naukowej Budowa i eksploatacja maszyn. Temat dysertacji jest ważny w eksploatacji silników spalinowych, a uzyskane wyniki mogą być już obecnie wykorzystane w praktyce eksploatacyjnej silników spalinowych. Równocześnie temat rozprawy jest niedostatecznie opisany w literaturze, a sam sposób rozwiązania tematu jest oryginalnym rozwiązaniem Autora i stanowi o niewątpliwej wartości pracy. Zadanie, którego podjął się Autor należy do trudnych, bowiem jego realizacja wymagała zastosowania technik pomiarowych i wykonania skomplikowanych badań na układach badawczych w warunkach drogowych oraz hamownianych. Z tego powodu podjęcie się tak trudnego zadania przez Autora uważam za cenną wartość pracy. W przedstawionym zadaniu naukowym Autor wykazał się samodzielnością w formułowaniu oryginalnych problemów i ich rozwiązywaniu oraz umiejętnością prowadzenia unikalnych eksperymentów. Przeprowadzone rozważania teoretyczne i uzyskane wyniki badań są przekonywujące i w pełni potwierdzają postawiony w pracy cel. Pod względem metodologicznym praca jest prawidłowa. Autor potwierdził umiejętność formułowania celów, prowadzenia badań i analiz w sposób uporządkowany i metodyczny oraz prawidłowe podejście do interpretacji wyników. Na podkreślenie zasługuje również poziom redakcyjny i edytorski pracy.
S t r o n a 10 Zawarte w opinii uwagi krytyczne nie wpływają na ogólną pozytywną ocenę pracy. Należy zaznaczyć równocześnie, że niektóre z uwag mają charakter dyskusyjny czy wyjaśniający albo stanowią alternatywne podejście do zagadnienia. W podsumowaniu stwierdzam, że rozprawa mgra inż. Piotra Molika pt. Analiza parametrów szybkozmiennych I ekologicznych doładowanego silnika o za-płonie iskrowym w warunkach statycznych I podczas rzeczywistej eksploatacji spełnia wymagania stawiane pracom na stopień doktora nauk technicznych, w rozumieniu art. 13 ustawy z dnia 14 marca 2003 o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. Stawiam zatem wniosek o dopuszczenie mgra inż. Piotra Molika do publicznej obrony ocenianej dysertacji.