Recenzja rozprawy doktorskiej "Identyfikacja systemu tworzenia i

dr hab. inż. Mirosław KOWALSKI, prof. nadzw.
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych
01-494 Warszawa
ul. Księcia Bolesława 6.
Warszawa 15.09.2016.
RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
(na zlecenie Rady Wydziału Maszyn i Transportu Politechniki Poznańskiej
- pismo DR-63/502/01/2016 z dnia 23 sierpnia 2016 r.)
Tytuł rozprawy:
IDENTYFIKACJA SYSTEMU TWORZENIA I SPALANIA
MIESZANKI W UKŁADZIE DWO CH WTRYSKIWACZY
Z BEZPOS REDNIM WTRYSKIEM BENZYNY
Autor rozprawy:
mgr inz . Przemysław BOROWSKI
Promotor rozprawy:
dr hab. inz . Ireneusz PIELECHA, prof. PP
1.
Charakterystyka pracy
Podjęta problematyka rozprawy doktorskiej mgr. inż. Przemysława Borowskiego
wychodzi naprzeciw współczesnym potrzebom w zakresie poznania zagadnień
bezpośredniego wtrysku paliwa do komór spalania silników spalinowych. Bezpośredni
wtrysk benzyny to podstawa dla jeszcze oszczędniejszych i bardziej ekologicznych
generacji silników spalinowych. Rozwijane technologie wspierają aktualny trend, jakim jest
downsizing. W rozprawie podjęto się rozpoznania zachodzących zjawisk, uzyskiwanych
charakterystyk oraz możliwości zastosowania systemu zasilania komory spalania silnika
spalinowego wtryskiem bezpośrednim przy użyciu dwóch wtryskiwaczy. Problem
zastosowania dwóch wtryskiwaczy jest już znany, jednak innowacyjnym w rozprawie jest
zastosowanie dwóch wtryskiwaczy bezpośrednio w komorze spalania. Tego rodzaju
podejście jest nowym, nieanalizowanym i niestosowanym jeszcze rozwiązaniem.
Rozprawa ma charakter analityczno-eksperymentalny oparty o przeprowadzone
analizy wyników uzyskanych podczas badań eksperymentalnych. Omówiono w niej
i przedstawiono na wykresach ilościowe i jakościowe wyniki badań wtrysku i rozpylenia
paliwa przy zastosowaniu dwóch wtryskiwaczy zabudowanych w komorze spalania.
Opisano sposoby przygotowania mieszanki palnej oraz uzyskiwane lokalne i globalne
wielkości charakteryzujące proces rozpylania paliwa. Eksperymentalną analizę rozpylenia
paliwa rozszerzono o badania symulacyjne z wykorzystaniem oprogramowania AVL Fire. Na tej
podstawie określono – poza parametrami uzyskanymi podczas badań eksperymentalnych –
rozkład i stężenie kropel paliwa w strudze oraz szybkości jego odparowania przy zastosowaniu
różnych strategii zasilania z użyciem dwóch wtryskiwaczy umieszczonych w komorze spalania.
Badania procesu spalania mieszanki paliwowej uwzględniały analizę głównych parametrów
termodynamicznych procesu, rozprzestrzeniania się płomienia oraz rozkładu temperatury.
Natomiast wykorzystanie systemu optycznego (do rejestracji procesów szybkozmiennych)
w komorze spalania umożliwił rejestrację obrazów płomienia podczas spalania mieszanki.
Analiza intensywności świecenia płomienia pozwoliła na ocenę jego powierzchni oraz analizę
temperatury płomienia.
2.
Problem badawczy - cele rozprawy
Przedstawiona do recenzji rozprawa za główny problem badawczy, podaje próbę
określenia: „w jaki sposób i w jakim stopniu zastosowanie nowej koncepcji wtrysku
benzyny pozwala kształtować proces rozpylenia paliwa i w konsekwencji spalanie
mieszanek niehomogenicznych”.
Takie sformułowanie problemu badawczego wymagało rozwiązania określonych
zagadnień naukowych, z których najistotniejszym było „rozpoznanie procesów i efektów
zastosowania systemu bezpośredniego wtrysku benzyny z układem dwóch
wtryskiwaczy umieszczonych w komorze spalania”. Powyższe sformułowanie
(nazwane jako cel naukowy) jest niczym innych jak celem utylitarnym niniejszej rozprawy
i winna stanowić fundament do opracowania tezy pracy, której zabrakło w rozprawie.
Ograniczono się tylko do wspomnianego wyżej problemu badawczego, co nie
jest - z formalnego punktu widzenia - najszczęśliwszym rozwiązaniem, gdyż teza pracy
stanowi w zasadzie odpowiedź na problem badawczy podjęty w rozprawie, którą
w procesie badawczym należy udowodnić.
W każdym razie, na potrzeby osiągnięcia celu utylitarnego określono cele cząstkowe,
nazwane jako cele naukowe i cele techniczne. Wskazane cele naukowe to:
 analiza procesów tworzenia mieszanki z wykorzystaniem badań eksperymentalnych oraz
symulacji komputerowych,
 ocena procesu spalania z analizą procesów szybkozmiennych oraz optyczną analizą obrazów,
która umożliwi określenie rozwoju płomienia oraz intensywności jego świecenia,
 analiza powtarzalności badań wtrysku paliwa z użyciem komory stałej objętości oraz
powtarzalności spalania w maszynie pojedynczego cyklu,
 badania rozkładu lokalnych wartości temperatury płomienia przy zastosowaniu różnych
strategii wtrysku.
Natomiast cele techniczne opisano jako:
 umieszczenie dwóch wtryskiwaczy w komorze spalania przy jednoczesnym spełnieniu
warunków tworzenia mieszanki uwarstwionej,
 wpływ zastosowanych parametrów i strategii wtrysku paliwa na możliwości tworzenia
i zapalności mieszanki,
 techniczne możliwości tworzenia mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych i ubogich
z wykorzystaniem dwóch wtryskiwaczy,
 optycznej analizy rozchodzenia się płomienia przy zastosowaniu różnych parametrów wtrysku
za pomocą dwóch wtryskiwaczy.
2
Taki podział celi cząstkowych dość jasno prezentuje kierunek zrealizowanych badań
eksperymentalnych oraz przeprowadzonych analiz otrzymanych wyników.
W moim przekonaniu, tytuł rozprawy, problem badawczy i cele zostały
sformułowane w sposób przejrzysty i jasny. Pewnym mankamentem jest brak tezy pracy
oraz brak jednoznacznego podziału prezentowanych celi na cel utylitarny, którym
praktycznie jest przedstawiony główny cel naukowy rozprawy, cel badawczy, który winien
uwzględniać zrealizowane badania eksperymentalne oraz cel naukowy, których efektem
końcowym są opracowane charakterystyki i zachodzące zjawiska.
3.
Sposób przeprowadzenia analizy źródeł i formułowania wniosków
Recenzowana rozprawa zawiera 102 pozycje literaturowe, spośród których
zdecydowana większość została opublikowana w ciągu ostatniej dekady. Niemal wszystkie
mają bezpośrednie odwołanie w rozprawie, pominięto tylko trzy z nich, a mianowicie [12],
[15] i [42]. Zakres tematyczny należy uznać za właściwy do realizacji niniejszej rozprawy.
Należy dodatkowo podkreślić, że przegląd literaturowy oprócz pozycji krajowych
zawiera wiele pozycji o zasięgu międzynarodowym. Można, zatem stwierdzić, że
przeprowadzona analiza źródeł - literatury przedmiotu - jest wystarczająco obszerna.
W dodatku, sformułowane wnioski z analizy literatury przedmiotu zostały
przedstawione w sposób jasny i prawidłowy, co świadczy o dużej wiedzy Autora w podjętej
tematyce.
4.
Rozwiązanie postawionego zadania w rozprawie
Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska liczy ogółem 101 stron. Składa się ze
streszczenia pracy, wykazu ważniejszych skrótów i oznaczeń, siedmiu rozdziałów, spisu
literatury oraz streszczenia w języku angielskim. W sumie praca zawiera 117 rysunków
i 9 tabel.
Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń jest niekompletny, nie opisuje wszystkich
występujących w rozprawie, jak np. M, czy też   , C1, C2 z prawa Plancka zależność (4.5),
skrót CNG str. 77, skrót GMP – ogólnie rozpoznawalny dla specjalistów, ale nie dla laików,
których ta rozprawa może zainteresować itp. Ponadto brak jest jednostek przy opisach
poszczególnych oznaczeń. Wskazanym byłoby również rozdzielenie wykazu na oznaczenia
i indeksy oddzielnie, co istotnie poprawiłoby ich czytelność.
Rozdział 1 jest zarazem wstępem, w której Autor opisał celowość podjęcia tematu
oraz podstawowe zagadnienia poruszone w rozprawie. W sumie rozdział ten zawarto na 4
stronach rozprawy.
W rozdziale 2 pt.: „Tworzenie mieszanki i spalanie w silnikach o zapłonie iskrowym
z bezpośrednim wtryskiwaczem benzyny”, Autor przedstawił genezę bezpośredniego
wtrysku benzyny, charakter tworzenia mieszanki w silniku spalinowym zasilanym
benzyną, sposoby tworzenia mieszanek paliwowo-powietrznych w układzie
3
bezpośredniego wtrysku benzyny, analizę układów wykorzystujących już dwa
wtryskiwacze oraz wnioski podsumowujące rozdział i z których wynika uzasadnienie
podjęcia się tego zagadnienia. W sumie rozdział 2 zawarto na 14 stronach rozprawy.
Rozdział 3 to „Problematyka rozprawy, jej cel i zakres”, który opisano
i przedstawiono na niecałych 3 stronach rozprawy. Przy czym opis poprzedzający
zdefiniowany problem badawczy uważam za zbyt szeroki i w zasadzie stanowiący dalszy
przegląd literatury przedmiotu w zakresie wtrysku bezpośredniego, opisanego już dość
precyzyjnie w rozdziale drugim rozprawy. Ponadto, jak już wspomniano brak jest tezy
pracy, czyli kwintesencji tego typu rozpraw doktorskich oraz sprecyzowanych celi
objaśniających, co stanowi cel utylitarny, naukowy czy też badawczy.
W rozdziale 4 pt.: „Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego”, Autor
scharakteryzował zastosowane metody badawcze, z jasnym podziałem na badania
w ustalonych warunkach termodynamicznych oraz w warunkach dynamicznych. Następnie
opisano przedmiot badań i obiekty badawcze, do których zaliczono wtryskiwacze, komory
o stałej objętości, maszyny pojedynczego cyklu. Opisano i przedstawiono także na
fotografiach wykorzystaną aparaturę badawczą. W sumie rozdział ten przedstawiono na
8 stronach rozprawy.
W rozdziale 5 pt.: „Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch
wtryskiwaczy”, Autor opisał sposoby realizacji wtrysku za pomocą układu dwóch
wtryskiwaczy, wpływ zastosowanej strategii wtrysku na parametry strugi, dokonano
porównania różnych strategii wtrysku, opisano badania wtrysku paliwa w maszynie
pojedynczego cyklu, symulacyjne badania procesu rozpylenia paliwa, gdzie
zaprezentowano możliwości badawcze, metodologię prowadzonych badań oraz wyniki
z tych badań symulacyjnych. Na zakończenie rozdziału dokonano oceny powtarzalności
wypływu paliwa z wtryskiwaczy piezoelektrycznych typu outward-opening. W sumie
rozdział ten zawarto na 30 stronach rozprawy.
Rozdział 6 pt.: „Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy”,
zapisany na 25 stronach rozprawy przedstawia charakterystykę i zakres podjętych badań
procesu spalania, badania spalania mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych, wpływ
sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanek ubogich, rozkład temperatury podczas
spalania paliwa w komorze, badania spalania mieszanek bardzo ubogich tworzonych
z użyciem dwóch wtryskiwaczy, gdzie zbadano, jaki jest wpływ sposobu wtrysku paliwa na
spalanie mieszanki o współczynniku lamba równym 2,2 oraz 3,5. Ponadto przedstawiono
badania procesu spalania mieszanek o różnych konfiguracjach wtrysku paliwa. Na koniec
tego rozdziału zaprezentowano wyniki z powtarzalności badań procesu spalania
w maszynie pojedynczego cyklu. Opisano tutaj problem związany z powtarzalnością badań
w maszynie pojedynczego cyklu, dokonano oceny powtarzalności badań indykatorowych
oraz przeprowadzono analizę powtarzalności badań optycznych procesu spalania.
Rozdział 7 pt.: „wnioski i kierunki dalszych badań” przedstawia ogólną
charakterystykę osiągniętych wyników podczas przeprowadzonych badaniach, gdzie
wskazano na zastosowane metody badawcze i ich możliwości. Przedstawiono tutaj także
4
wnioski ogólne i szczegółowe, w których m.in. stwierdzono, że zastosowanie nowej
koncepcji wtrysku benzyny pozwala kształtować proces rozpylenia paliwa
i w konsekwencji spalanie mieszanek niehomogenicznych, czym m.in. potwierdzono
przyjęty w rozprawie główny problem badawczy. Na zakończenie przedstawiono kierunki
dalszych prac, których zasadniczym celem jest szersze rozpoznanie korzyści wynikających
z zastosowania zaproponowanego systemu wtrysku benzyny i są zgodne z tendencjami
rozwoju systemów zasilania silników o zapłonie iskrowym. Rozdział ten zawiera 4 strony.
Ostatecznie stwierdzam, że rozwiązanie postawionego zadania zostało
przeprowadzone prawidłowo przez Autora, a przyjęte założenia i metody nie budzą
zastrzeżeń.
5.
Oryginalność rozprawy – samodzielny dorobek Autora
Oryginalnym osiągnięciem Autora jest:
 przeprowadzenie analizy możliwości zastosowania układu wyposażonego w dwa
wtryskiwacze. Przy czym: przeprowadzona analiza wtrysku jest bardzo obszerna
z wieloma strategiami wtrysku paliwa, natomiast analiza spalania zawiera ciekawe
przykłady z uwzględnieniem spalania bardzo pożądanych mieszanek ubogich;
 połączenie różnych metod badawczych wtrysku paliwa - badania eksperymentalne
i badania symulacyjne. Takie ich zestawienie pozwala na uwzględnienie znacznej liczby
wariantów i warunków początkowych, a jednocześnie pozwala na konstruowanie
lepszych jakościowo wniosków poznawczych;
 przeprowadzenie oceny powtarzalności procesu wtrysku potwierdzająca niewielkie
rozrzuty w analizie wskaźników geometrycznych. Są to o tyle cenne badania, gdyż
pozwalają na uzyskanie liczbowych wskaźników tej powtarzalności. Niewielka
niepowtarzalność pozwala na znaczne ograniczenie liczby wykonywanych powtórzeń,
co jest szczególnie istotne podczas obróbki materiału filmowego;
 zaprezentowanie szerokiego spektrum badań procesu spalania. Zastosowano różne
konfiguracje wtrysku paliwa z jednoczesnym podziałem na spalanie mieszanek bliskich
stechiometrycznym, ubogich oraz bardzo ubogich. Badania spalania prowadzono przy
szerokim zakresie zmian współczynnika nadmiaru powietrza - od wartości poniżej 1 do
ponad 3. Te ostatnie są cennym materiałem badawczym, gdyż wskazują na możliwości
spalania ładunku uwarstwionego o bardzo dużym nadmiarze powietrza,
niewykorzystywanym w typowym silniku o zapłonie iskrowym;
 próba oceny powtarzalności procesu spalania, choć wiadomym jest, że nawet w silniku
ta niepowtarzalność istnieje i ma określony poziom wartości. Wykorzystanie technik
pomiarowych pozwoliło na dokonanie oceny niepowtarzalności spalania, nie tylko na
podstawie badań indykatorowych, ale również optycznych.
Ponadto, dość oryginalnym jest sposób przeprowadzenia analizy literatury
przedmiotu, wykazująca aktualny stan wiedzy na temat podjęty w rozprawie.
5
6.
Uwagi ogólne – słabe strony pracy
Sposób realizacji pracy nie budzi większych zastrzeżeń. Od strony merytorycznej
można – co najwyżej – stwierdzić brak badań eksperymentalnych na silniku, których
zasadniczym celem byłoby zweryfikowanie proponowanego systemu i ocena faktycznej
przydatności zaproponowanego systemu spalania, brak oceny wpływu tego systemu na
poziom emisji toksycznych składników spalin oraz nie wykorzystanie wszystkich strategii
wtrysku paliwa w badaniach procesu spalania.
Ponadto, Autor nie ustrzegł się błędów natury czysto redakcyjnych, a mianowicie
takich jak brak przecinków, literówki, znaki interpunkcyjne, pozostawianie na końcu
wierszy pojedynczych liter tzw. „wdowy” itp. Do istotnych należy zaliczyć:
 słaba czytelność opisów na zamieszczonych, niektórych rysunkach, jak np.: rys. 1.1 –
nieczytelne opisy osi i krzywych na dołączonych wykresach, choć w tym przypadku rolą
tych wykresów było tylko wskazanie na istotne elementy symulacji i analizy (funkcja
informacyjna), a nie wskazanie konkretnych wartości i charakterystyk; rys. 2.11 –
nieczytelne opisy, a przy tym w języku niemieckim (tego rodzaju wtrącenia, są
dopuszczalne, ale wymagają przetłumaczenia na język, w którym jest pisana praca);
rys. 5.6, 5.8, 5.9, 5.10, 5.12, 5.13, 5.14 – mała czytelność opisów strategii wtrysku;
 brak opisów osi na niektórych wykresach oraz jednostek, jak np. na rys. 2.4, 2.7, 2.8, 2.9,
2.10, 2.14, 2.15, 2.16, 2.17a, 2.18;
 pomyłka w numeracji tabel – dwukrotnie powtórzono numer 4.2, przez co kolejne
tabele zostały błędnie oznaczone w rozdziale 4.
Stwierdzone błędy nie mają jednak istotnego wpływu na jakość pracy oraz jej stronę
merytoryczną i nie umniejszają pozytywnego odbioru pracy.
7.
Podsumowanie
Reasumując uważam, że opiniowana rozprawa mgr. inż. Przemysława BOROWSKIEGO
pt.: „IDENTYFIKACJA SYSTEMU TWORZENIA I SPALANIA MIESZANKI W UKŁADZIE
DWÓCH WTRYSKIWACZY Z BEZPOŚREDNIM WTRYSKIEM BENZYNY" spełnia wymagania
stawiane rozprawom doktorskim przez Ustawę z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach
naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. 2003 Nr 65,
poz. 595 z późn. zm.) i mieści się w dziedzinie budowa i eksploatacja maszyn.
W związku z tym wnioskuję o jej przyjęcie i dopuszczenie do publicznej obrony.
Ponadto, uwzględniając obszar badań zrealizowany w rozprawie przez Doktoranta,
sposób ich przeprowadzenia, analizy, tworzenie modeli symulacyjnych itp. wnioskuję o jej
wyróżnienie.
.........................................................
6