Show publication content!

Dr hab. inż. Andrzej PIĘTAK, prof. UWM
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski
Katedra Mechatroniki WNT
Olsztyn, 10.11.2013 r.
RECENZJA
rozprawy doktorskiej
mgr inż. Macieja ANDRZEJEWSKIEGO
„Wpływ stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa
i emisję substancji szkodliwych w spalinach”
podstawa opracowania: pismo Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i
Transportu Politechniki Poznańskiej z dnia 29.10.2013 r., nr DR63/415/01/2013, do którego dołączono egzemplarz rozprawy doktorskiej.
1. Uwagi o sformułowanym zadaniu
Postępujący od szeregu lat proces zaostrzania dopuszczalnych norm
w zakresie toksycznych składników spalin i zużycia paliwa przez obecnie
eksploatowane pojazdy, powoduje poszukiwanie działań obejmujących
całokształt problemów związanych z optymalizacją procesu spalania w
tłokowym silniku spalinowym – dotąd powszechnym środkiem napędu
samochodów. Doskonalenie konstrukcji, wprowadzenie systemów
ograniczających powstawanie związków toksycznych w efekcie
skutkującym wprowadzeniem wysokoefektywnych układów katalitycznego
oczyszczania spalin, czy też stosowanie paliw alternatywnych to jedne z
dróg sprostania tym wymaganiom.
W ostatnich latach obserwuje się znaczący wzrost liczby pojazdów
samochodowych na świecie, głównie w krajach rozwijających się. Jednym z
ważniejszych czynników warunkujących charakter rozwoju techniki
motoryzacyjnej w kilku najbliższych dziesięcioleciach będzie świadomość,
że bez ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin dość szybko
może dojść do katastrofalnego zanieczyszczenia środowiska. Światowi
ustawodawcy (w Europie Komisja Europejska) wprowadzają w życie coraz
bardziej rygorystyczne normy emisji substancji szkodliwych z pojazdów.
Ograniczenia te mają na celu poprawę jakości powietrza, szczególnie w
strefach o dużym natężeniu ruchu drogowego, oraz zmniejszenie
1
uzależnienia motoryzacji od paliw kopalnych. Producenci pojazdów, chcąc
spełnić coraz „ostrzejsze" normy czystości spalin, niestety są często
zmuszeni do stosowania innowacyjnych, drogich rozwiązań.
Najbardziej istotne znaczenie w aspekcie ekologicznych skutków
eksploatacji pojazdów ma emisja związków toksycznych z pojazdów
ciężarowych (użytkowych), zwłaszcza tych poruszających się po
zatłoczonych centrach miast (głównie autobusy miejskie, pojazdy
komunalne i dystrybucyjne), gdzie w bliskim ich otoczeniu porusza się duża
liczba osób - m.in. piesi i rowerzyści. Pojazdy ciężarowe odgrywają jednak
kluczową rolę w transporcie osób i ładunków. Obecnie w Polsce i na świecie
eksploatowanych jest wiele typów takich pojazdów o różnej ładowności,
ograniczonej dopuszczalną masą całkowitą (dmc).
Transport samochodowy odgrywa znaczącą rolę w rozwoju
światowej gospodarki. Jest on jednak odpowiedzialny za 20-25 %
światowej emisji dwutlenku węgla (z emisją CO2 bezpośrednio związane
jest zużycie paliwa przez pojazdy). Eksploatowane samochody przyczyniają
się do zanieczyszczenia atmosfery w około 30 %, a w dużych miastach
nawet w 90 %. Szacuje się również, że pojazdy silnikowe są odpowiedzialne
za emisję około 12 % gazów cieplarnianych w Europie. Zatem wszelkie
działania, polegające na ograniczeniu skali tego zjawiska są uzasadnione.
Przedstawioną mi do recenzji pracę uważam zatem za istotnie
wspierającą działania ośrodków zmierzających do osiągnięcia tego celu, a
dociekania Autora w dziedzinie oceny toksyczności pojazdów w warunkach
trakcyjnych, uwzględniające bogaty i wszechstronny eksperyment na
rzeczywistych obiektach, przy użyciu nowoczesnej techniki i technologii
badawczej uważam za bardzo interesujące, głównie ze względu na ich
aplikacyjny charakter.
2. Charakterystyka pracy
Opiniowana praca składa się z ośmiu podstawowych rozdziałów,
zakończenia będącego podsumowaniem pracy i spisem literatury. Treść
pracy zamieszczona jest na 150 stronach tekstu obejmującego także
znaczną liczbę wykresów i tabel. Wykaz literatury obejmuje 97 pozycji.
Wstęp i rozdział drugi obejmuje wprowadzenie do pracy i podaje
przesłanki obejmujące uzasadnienie celu i tezy oraz zakresu pracy. Autor
formuje tu opinię, że konstruktorzy silników i pojazdów rozwijają obecnie
kilka metod konstrukcyjno-technologicznych pozwalających na znaczne
zmniejszenie emisji substancji szkodliwych w spalinach i poprawę
sprawności układu napędowego (uzyskania mniejszego zapotrzebowania
na energię). Prowadzone prace mają związek zarówno ze zmianami
konstrukcyjnymi w samych silnikach, jak i ze zmianami w pozostałych
podzespołach lub układach pojazdów i obejmują:
2





spalanie mieszanek homogenicznych,
optymalizację przekładni,
wtrysk bezpośredni w silnikach o ZI,
zmienny stopień sprężania,
downsizing.
Jedną z metod, za pomocą której możliwe jest zrealizowanie tego celu,
jest również propagowanie zasad związanych z oszczędnym
(ekologicznym) sposobem eksploatacji pojazdów - tzw. eco-drivingiem.
Mimo ciągle prowadzonych prac nad rozwojem silników spalinowych,
zasilanych innym rodzajem paliwa niż benzyna czy olej napędowy,
klasyczne silniki są nadal podstawowym źródłem napędu pojazdów. W celu
sprostania pojawiającym się z coraz większą częstotliwością nowym
normom toksyczności spalin, stale poszukuje się rozwiązań wpływających
na zmniejszenie zużycia paliwa i emisję spalin, szczególnie w ruchu
miejskim. Zużycie paliwa przez pojazd poruszający się w mieście jest
znacznie większe, w porównaniu gdy porusza się on poza miastem. Wynika
to m.in. z charakteru ruchu miejskiego, cechującego się znacznym
natężeniem pojazdów, co wpływa na ich częste zatrzymywanie się i
ruszanie. Pojazdy te poruszają się ponadto na niższych biegach
(ograniczenia prędkości i jazda podczas kongestii – zagęszczenia ruchu), co
dodatkowo niekorzystnie wpływa na ekonomię paliwową. Stąd podejmuje
się prace mające na celu ograniczenie spalanego paliwa przez pojazdy.
Można to uczynić m.in. przez usprawnienie transportu miejskiego (system
ITS, BRT, zielone fale) lub zmniejszenie strat energii (hybrydyzacja
napędów).
Recenzowana praca dotyczy oceny wpływu stylu jazdy kierowcy,
określanego jako eco-driving, na zużycie paliwa i emisję substancji
szkodliwych w spalinach szczególnie w warunkach ruchu miejskiego.
Mimo, iż dostępne na rynku samochody są wyposażane w coraz
bardziej dopracowane konstrukcyjnie i ekologiczne jednostki napędowe
(dzięki rozbudowanym układom oczyszczania spalin spełniającym z
zapasem najnowszą normę emisji Euro 6), konieczne jest jednak
poszukiwanie nowych sposobów na ograniczenie niekorzystnego
oddziaływania tych samochodów na środowisko. Jest to możliwe zwłaszcza
w czasie wykonywania badań w warunkach rzeczywistego ruchu po
drogach. W rzeczywistej eksploatacji, w porównaniu do badań
stanowiskowych prowadzonych w warunkach ściśle określonych, można
pozyskać bowiem więcej niezbędnych informacji przydatnych do
optymalizacji układu napędowego pod względem ograniczenia jego
szkodliwego oddziaływania na środowisko naturalne. Takie badania są
cenne nie tylko z punktu widzenia konstruktorów pojazdów i silników, lecz
także bezpośrednich użytkowników pojazdów – stosowanie zasad
3
eco-drivingu – mogących przyczynić się w dużym stopniu do zmniejszenia
zużycia paliwa przez pojazd oraz emisji substancji szkodliwych, w tym
głównie NOX, PM i C02.
Wiele ośrodków i firm prowadzących szkolenia z zakresu jazdy
ekologicznej i ekonomicznej (oprócz tego także jazdy bezpiecznej oraz po
bezdrożach - tzw. off-road'owej) w swoich materiałach jako jedną z korzyści
stosowania zasad eco-drivingu przez kierowcę podaje określone
procentowe zmniejszenie zużycia paliwa, obarczone przy tym dość dużą
niedokładnością pomiarową. Natomiast brak jest informacji o toksycznych
składnikach spalin – ogólne podaje się, że się zmniejszają, nie podając
jednak konkretnych wartości. Stąd wydało się więc konieczne
przeprowadzenie weryfikacji zakładanych korzyści wynikających ze
stosowania zasad eco-drivingu, w oparciu o dostępną (od niedawna)
mobilną aparaturę badawczą umożliwiającą stosowne pomiary. Należy przy
tym wspomnieć, że badania emisji substancji szkodliwych z silników
napędzających pojazdy w rzeczywistych warunkach ich eksploatacji (a nie
tylko w warunkach laboratoryjnych w trakcie tzw. homologacji typu) z
wykorzystaniem aparatury mobilnej są nowością w skali światowej.
Obecnie niewiele ośrodków badawczych i badawczo-rozwojowych oraz
jednostek naukowych dysponuje konieczną dla realizacji takich badań
aparaturą.
Powyższe spostrzeżenia stały się podstawą do sformułowania
głównego celu pracy, którym jest: Określenie wpływu stylu jazdy
kierowcy na zużycie paliwa i emisję substancji szkodliwych w
spalinach
Do kryteriów oceny stylu jazdy kierowcy (rozdział czwarty) Autor
zalicza m.in. sposób:
 przyspieszania pojazdem, charakteryzując tzw.: ”dynamikę”,
 charakteru jazdy, w tym na odpowiednim przełożeniu w skrzyni
przekładniowej, z odpowiednią prędkością obrotową silnika,
 hamowania pojazdem.
Na podstawie wstępnych badań drogowych oraz literatury, określił
tzw. indeks agresywności jazdy (Iagr). Dokonał tego między innymi przy
wykorzystaniu danych z pokładowego rejestratora parametrów ruchu
pojazdu oraz danych literaturowych. Indeks agresywności jazdy określono
odrębnie dla dwóch grup pojazdów – wyposażonych w silniki ZI oraz ZS.
Na podstawie przyjętych kryteriów oceny stylu jazdy kierowcy oraz
określonego indeksu agresywności jazdy (jak się wydaje zdefiniowanym
jako przyspieszenie pojazdu w ruchu poziomym przyspieszonym),
określono trzy takie style.
Definicje poszczególnych sposobów eksploatacji pojazdu Doktorant
przyjął jako:
4
 eco-driving – umiarkowane przyspieszanie, jazda w miarę możliwości na
5. biegu (najwyższym), hamowanie silnikiem – redukcja biegów w trakcie
np. dojazdu do sygnalizatora świetlnego,
 jazda normalna – powolne przyspieszanie, jazda maksymalnie na 4.
biegu, stosowanie jazdy wybiegiem (bieg luzem i jałowy silnika) w
trakcie np. dojazdu do sygnalizatora świetlnego,
 jazda agresywna – dynamiczne przyspieszanie, jazda maksymalnie na 4.
biegu, dojazd do sygnalizatora świetlnego – hamowanie z dużej prędkości
w końcowej fazie dojazdu.
Sformułowany główny cel pracy (rozdział trzeci) wynika także m.in. z
potrzeb przedsiębiorstw (w tym komunikacyjnych) posiadających duże
floty pojazdów i wykazujących popyt na szkolenia z zakresu jazdy
ekologicznej i ekonomicznej.
Celem dodatkowym dysertacji jest weryfikacja zasad eco-drivingu.
Podstawowe pytania badawcze Doktorant sformułował następująco:
1) W jaki sposób należy rozpędzać pojazd aby minimalizować zużycie
paliwa oraz emisję zanieczyszczeń gazowych i stałych?
2) Jak należy prowadzić pojazd silnikowy by minimalizować emisję spalin i
zużycie paliwa?
3) W jaki sposób należy hamować pojazdem, w celu uzyskania możliwie
najmniejszych strat energii oraz największych korzyści ekologicznych?
Jako podstawowe kryterium oceny Autor przyjął wartości
parametrów eksploatacyjnych podczas rzeczywistych warunków ruchu
pojazdów. Wartości tych parametrów w porównaniu z odpowiadającymi im
wartościami emisji drogowej substancji szkodliwych w spalinach,
uzyskanymi podczas przejazdów, pozwoliły określić kierunek możliwości
poprawy emisyjności pojazdów w eksploatacji.
W rozdziale piątym Autor szczegółowo przedstawił metodykę badań,
zwracając szczególnie uwagę na aparaturę do pomiaru emisji substancji
szkodliwych w spalinach i sposób pomiaru ilości zużywanego paliwa w
testach na pomocą bilansu węgla – umożliwia to stosowana aparatura
pomiarowa. Autor podaje tu także harmonogram badań i rozważania o
niepewności pomiarowej.
W rozdziale szóstym Autor podaje wyniki badań w warunkach
rzeczywistych. Jest to podstawowa, merytoryczna część pracy. Celem
prowadzonej analizy badawczej było znalezienie odpowiedzi na pytanie:
jak należy rozpędzać pojazd, aby zminimalizować zużycie paliwa i emisję
zanieczyszczeń szkodliwych w spalinach. Jazdy badawcze wykonano na
wydzielonym pasie drogi o dł. ¼ km, na prostym, równym odcinku drogi.
Badania zużycia paliwa i emisji spalin wykonano tu dla przypadku
rozpędzania pojazdu do prędkości ok. 50 km/h z różną, przez Autora zwaną
„dynamiką” jazdy.
5
Autor proponuje przyjęcie sześciu priorytetów pozwalających na
prowadzenie analizy wpływu sposobu jazdy na emisję spalin i zużycie
paliwa. Wyniki tych badań Autor normalizuje, umożliwiając tym samym ich
wartościowanie. Z przeprowadzonych badań i ich analizy Autor formułuje
wniosek, że decydującym czynnikiem wpływającym na zużycie paliwa i na
emisję substancji szkodliwych ma czynność przyspieszania pojazdu. Na
podstawie tych badań Autor formuje zalecenie „że nie należy stosować
dynamicznego maksymalnego naciskania („skokowego” – zdaniem
recenzenta) na pedał przyspieszania, sugerując wskazanie szybkiego „lecz
nie gwałtownego” (jak to mówi prawo o ruchu drogowym przy okazji
formułowania metodyki określania zadymienia spalin metodą swobodnego
przyspieszania) przemieszczania do ¾ wartości maksymalnej.
Rozdział siódmy obejmuje badania wpływu jazdy kierowcy na
zużycie paliwa i emisję spalin w warunkach drogowych, w warunkach
ruchu zarówno autostradowego, jak i w warunkach ruchu miejskiego.
Badania prowadzono z użyciem 5. samochodów osobowych i 4.
samochodów dostawczych z częściowym wykorzystaniem uprzednio
opracowanej technologii eco-drivingu. Na podstawie wyników tych badań
sformułował wnioski o konieczności stosowania zasad eco-drivingu w
ośrodkach doskonalenia techniki jazdy, w tym szkołach ekologicznej i
oszczędnej jazdy.
W dalszej części pracy Doktorant przedstawił wyniki badań
toksyczności spalin w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego
emitowanych przez pojazdy ciężkie typu HDV. Po analizie wyników badań
okazało się, że stosowanie zasad eco-drivingu skutkuje kilkuprocentowym
zmniejszeniem zużycia paliwa i o tyle samo ograniczeniem emisji
toksycznych składników w spalinach.
Rozdział ósmy pracy to propozycja zaleceń dotycząca sposobu jazdy
na postawie wyników pracy. Ta część pracy jest jej podsumowaniem, a
szczegółowe wnioski powinny znaleźć zastosowanie nie tylko dla szkolenia
kierowców, ale także dla konstruktorów samochodów (np. przez
systemowe, programowe ograniczenie przyspieszenia w ruchu poziomym
osiągane przez pojazd w fazie rozpędzania – tak, jak dla tempomatu).
Prezentowane w tej części pracy wyniki badań i dyskusja nad nimi,
świadczą o dużej wiedzy Doktoranta i jego umiejętności posługiwania się
nowoczesną aparaturą badawczą.
Rozdział dziewiąty stanowi zakończenie pracy i jej wnioski. Jest on
merytorycznym podsumowaniem wyników badań Autora, z których
najważniejsze to:
1. Dokonano oceny kierowania pojazdem przez kierowcę, w połączeniu z
określeniem wielkości emisji spalin w trakcie jazdy. W celu określenia
pełnych korzyści ekologicznych, ocenę emisyjności (w zależności od
6
przyjętej „taktyki" jazdy) wykonano dla różnych warunków pracy
pojazdu i silnika.
2. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów opracowano zależności
dotyczące wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie paliwa i emisję
spalin. Uzyskano tym samym odpowiedzi na postawione pytania
badawcze, które dotyczyły określenia poprawnego sposobu
rozpędzania, jazdy oraz hamowania pojazdem, w celu uniknięcia dużej
emisji substancji szkodliwych w spalinach oraz dużego zużycia paliwa
przez ten pojazd.
3. Na tej podstawie można stwierdzić, że zrealizowano główny cel pracy,
którym było: Określenie wpływu stylu jazdy kierowcy na zużycie
paliwa i emisję substancji szkodliwych w spalinach.
4. Na podstawie przeprowadzonych badań i analiz ich wyników Autor
sformułował następujące wnioski główne i metodologiczne:
1) W trakcie czynności rozpędzania pojazdu uzyskuje się bardzo
dużą emisję substancji szkodliwych oraz pojazd zużywa w tym
czasie dużą ilość paliwa.
2) Maksymalne naciśnięcia pedału przyspieszenia powoduje nawet
kilkukrotnie większą emisję niektórych z substancji szkodliwych
zawartych w spalinach (przeważnie CO, HC).
3) Wykorzystanie w trakcie rozpędzania pojazdu maksymalnej, na
dane warunki ruchu, liczby biegów skutkuje małą emisją spalin
oraz mniejszym przebiegowym zużyciem paliwa; biegi należy
przy tym zmieniać przy małej prędkości obrotowej silnika –
powodować zwiększenie jego obciążenia.
4) Szczególnie korzystna w aspekcie ekologicznego i ekonomicznego
użytkowania pojazdów jest jazda na małym przełożeniu w skrzyni
przekładniowej (wysoki bieg), przy małej prędkości obrotowej
silnika.
5) Przekroczenie prędkości jazdy ponad 90 km/h, uważanej
powszechnie za tzw. ekonomiczną, powoduje znaczący wzrost
emisji gazowych związków szkodliwych spalin oraz
przebiegowego zużycia paliwa przez pojazd.
6) Stosowanie hamowania silnikiem, w wyniku redukcji biegów, w
miejsce jazdy wybiegiem w fazie nienapędowej ruchu pojazdu
skutkuje znaczącym zmniejszeniem emisji drogowej wszystkich
substancji szkodliwych w spalinach.
W rozdziale dziewięć, dwa Autor podaje kierunki dalszych prac w tej
dziedzinie. Z większością z nich trzeba się zgodzić. Wydaje się, że zasługują
na szersze rozpowszechnienie.
7
Uwagi dyskusyjne do pracy:
Recenzowana praca ma charakter wybitnie eksperymentalny i tam
leży jądro naukowe dysertacji. Tu szczególnie zastosowanie ma znane
powiedzenie: „Non argumentum contra experimentum”; szczególnie wobec
użycia aparatury pomiarowej najwyższej światowej klasy. Tym niemniej
nasuwa się recenzentowi spostrzeżenie, że nie wszystkie możliwe drogi
oszczędzania transportowego środowiska zostały wyczerpane. Znaczna ich
część leży także w dziedzinie badań silnikowych, spośród których (moim
zdaniem) najważniejsze to:
- Dynamika silnika. Ta dziedzina wiedzy słabo się rozwija. Jak się okazuje,
poznanie obowiązujących w tej dziedzinie zasad, może mieć kapitale
znaczenie dla celów podobnych prac (wyznaczenie równań ruchu silnika,
zdefiniowanie parametrów identyfikujących ów ruch, wyznaczenie i
poprawa stałych czasowych układów i zespołów silnika itd.) mających za
zadanie ograniczenie emisji składników toksycznych w spalinach i zużycia
paliwa.
- Oprogramowanie sterowników silników i uwzględnienie maksymalnego
dopuszczalnego przyspieszenia pojazdów w procesie rozpędzania.
Uwagi o charakterze redakcyjnym
Praca napisana jest dobrym technicznym językiem. Głównym jej
mankamentem redakcyjnym jest stosunkowo mała czytelność większości
wykresów, ze względu na wielkość i małą czcionkę.
Uważam, że wykresy te można było umieścić w załączniku do pracy
zostawiając tu tylko te obrazujące wnioski z badań.
W pracy zauważyłem niewielką liczbę niedokładności redakcyjnych,
np. na rys. 1.1 podano w oznaczeniu rysunku liczby samochodów chyba
amerykańską miarą, ale na rys. 1.2 już poprawnie.
3. Końcowa ocena pracy
Przedstawione przez Autora opracowanie świadczy, że wykazał się
on dobrą znajomością problematyki badawczej realizowanej w pracy oraz
rzetelną wiedzą dotyczącą badań pojazdów w warunkach trakcyjnych.
Stosowane przez Autora narzędzia badawcze są nowoczesne i adekwatne
do rozważanej problematyki.
W szczególności warto podkreślić następujące walory merytoryczne
pracy obejmujące wykonanie bardzo nowoczesnego, trudnego
eksperymentu badawczego, analizę uzyskanych rezultatów badań i
sformułowanie wniosków umożliwiającą w przyszłości minimalizację
szkodliwych toksycznych oddziaływań silników na środowisko.
8
Wymienione rezultaty są czynnikiem wyróżniającym recenzowaną
rozprawę doktorską.
Biorąc pod uwagę zakres prac badawczych, które umożliwiły
opracowanie
recenzowanej
rozprawy
doktorskiej,
oryginalność
rozwiązania istotnego zadania naukowego, a tym samym fakt
potwierdzenia umiejętności samodzielnej pracy naukowej uważam, że
przedłożona rozprawa może służyć za podstawę do rozpatrzenia wniosku o
nadanie Kandydatowi stopnia doktora nauk technicznych w dyscyplinie
naukowej „Transport”, w której mieszczą się zagadnienia objęte rozprawą.
Wobec spełnienia wszystkich wymogów Ustawy o Stopniach i
Tytule Naukowym z dnia 12 września 1999 r. składam wniosek o
dopuszczenie mgr inż. Macieja Andrzejewskiego do publicznej obrony
rozprawy doktorskiej.
Uważam również, że rozprawa może być przedstawiona do
wyróżnienia.
9