Badania możliwości poprawy wskaźników ekologicznych silników o

Dr hab. inż. Paweł Fuć
POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Instytut Silników Spalinowych i Transportu
60-965 Poznań, ul. Piotrowo 3
Tel.: (0-48/61) 665-2207, fax: (0-48/61) 665-2204
Tel. : (0-601) 74-70-20
Poznań, dnia 27.05.2014 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 29.04.2014 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
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
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
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 CO2 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
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, CO2, HC, NOx 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 Mo = 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
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
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, 9.19. 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
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