Wpływ zastosowania gazu ziemnego na parametry ekologiczne wybranych środków transportu

Warszawa, 22.09.2015 Dr hab. inż. Wojciech Gis

Instytut Transportu Samochodowego w Warszawie

O C E N A

rozprawy doktorskiej mgr. inż. Michała Dobrzyńskiego

pt.: Wpływ zastosowania gazu ziemnego na parametry ekologiczne wybranych środków transportu

podstawa opracowania: pismo Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej z dnia 23.07.2015 r., do którego dołączono egzemplarz rozprawy doktorskiej wraz z umową i rachunkiem

1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ROZPRAWY

Na aspekty ekologiczne i ekonomiczne pojazdu, czyli emisję substancji szkodliwych oraz zużycie paliwa, zasadniczy wpływ ma układ napędowy. Jego głównym elementem jest silnik spalinowy. Należy w tym miejscu zasygnalizować, że mimo prognozowanego dość znaczącego wzrostu udziału poszczególnych napędów alternatywnych w rynku motoryzacyjnym, rola konwencjonalnego silnika spalinowego w najbliższych latach będzie nadal dominująca. Oprócz silnika w skład wspomnianego układu wchodzą m.in. przekładnia główna, skrzynia przekładniowa, wał napędowy oraz mechanizm różnicowy. Od sprawności poszczególnych elementów tego układu zależy w jakim stopniu, do napędu pojazdu, zostanie wykorzystana energia chemiczna paliwa i w jakim stopniu będzie on oddziaływał na środowisko naturalne.

Możliwość długiej eksploatacji pojazdów wiąże się między innymi z dobrze skonstruowanym układem napędowym. Przy jego projektowaniu, oprócz dużej wytrzymałości, bierze się pod uwagę także wspominane względy ekologiczne i ekonomiczne.

Producenci pojazdów muszą więc w tych kierunkach ciągle prowadzić prace, aby sprostać uregulowaniom prawnym, dotyczącym ekologii eksploatacji pojazdów, oraz oczekiwaniom klientów (użytkowników). Z powodu istnienia dużej konkurencji wśród producentów, obserwuje się obecnie szybko postępującą ewolucję w układach napędowych, która jest procesem pozytywnym. Powoduje ona bowiem poprawę bezpieczeństwa i efektywności transportu oraz wpływa na zmniejszenie negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko.

W ewolucji układów napędowych pojazdów dużą rolę odgrywają obecnie paliwa alternatywne. Tego rodzaju paliwami, które aktualnie mają już dość ugruntowaną pozycję w środowisku motoryzacyjnym i mają szansę na dalsze zwiększanie swego udziału w światowym rynku paliw są:

‒ sprężony gaz ziemny (CNG – Compressed Natural Gas),

‒ bioetanol – używany jako samoistne paliwo lub jako biokomponent, zarówno w silnikach ZI, jak i ZS,

‒ estry metylowe kwasów tłuszczowych olejów roślinnych (FAME – Fatty Acid Methyl

Esters), a zwłaszcza estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzepakowego

(RME – Rapeseed Methyl Esters) – stosowane jako biokomponenty w oleju napędowym lub jako samodzielne paliwo – tzw. biodiesel.

Współcześnie gaz ziemny w postaci sprężonej (CNG) stosuje się najczęściej do zasilania silników autobusów miejskich. Należy wspomnieć, że gaz ziemny jest naturalnym wysokokalorycznym paliwem występującym samodzielnie lub towarzyszącym pokładom ropy naftowej. Po wydobyciu wymaga jedynie osuszenia oraz, w niektórych przypadkach, odsiarczenia. Głównym jego składnikiem jest metan, którego zawartość wynosi od 85 do 98%. Pozostałe składniki to: etan, propan i butan oraz w mniejszych ilościach dwutlenek węgla, tlen, azot i niekiedy hel. Do zasilania silników pojazdów wykorzystuje się wyłącznie gaz ziemny zawierający powyżej 90% metanu (tzw. wysokometanowy). Wielu producentów przystosowało silniki do zasilania tego rodzaju paliwem. Można je spotkać m.in.

w autobusach marki Solaris, Volvo, MAN oraz Scania.

Głównym celem ocenianej pracy było dokonanie doświadczalnej oceny wpływu zastosowania sprężonego gazu ziemnego na parametry ekologiczne pojazdów transportu masowego w postaci autobusów miejskich. Wykonano to m.in. w wyniku porównania toksyczności spalin autobusów z konwencjonalnym układem napędowym. Argumentem za podjęciem takich działań były przede wszystkim nowe możliwości poznawcze, wynikające z realizacji badań emisji w rzeczywistych warunkach eksploatacji pojazdów (mobilna aparatura typu PEMS – Portable Emissions Measurement System).

Rozprawa doktorska mgr. inż. Michała Dobrzyńskiego liczy 111 stron i składa się ze streszczeń w języku polskim i angielskim, wykazu ważniejszych skrótów, 7 głównych rozdziałów oraz bibliografii obejmującej 70 pozycji, w tym bardzo wiele obcojęzycznych.

Aktualność (z pewnymi wyjątkami) cytowanej w pracy literatury świadczy o dobrym rozeznaniu Autora w tematyce rozprawy.

W rozdziale 1 – Wstęp zawarto informacje na temat zagadnień związanych z genezą podjęcia się realizacji ocenianej pracy doktorskiej oraz zdefiniowano jej cel i podstawowe pytania badawcze.

Rozdział 2 zawiera informacje dotyczące aktualnie stosowanych paliw niekonwencjonalnych (ciekłych i gazowych), służących do zasilania silników spalinowych pojazdów drogowych. Zawarto szczegółowy opis poszczególnych paliw alternatywnych, ze szczególnym zwróceniem uwagi na ich właściwości ekologiczne.

Kolejny rozdział (3) poświęcono analizie literatury w aspekcie systemów napędowych przystosowanych do zasilania paliwami gazowymi. W wyniku dokonanej prezentacji aktualnych rozwiązań konstrukcyjnych oraz ich właściwości użytkowych, scharakteryzowano poszczególne kategorie pojazdów, w których możliwe jest zastosowanie paliwa alternatywnego.

Treść rozdziału 4 dotyczy metodyki badań autobusów miejskich wykonywanych w warunkach testów stacjonarnych na hamowniach silnikowych oraz w warunkach drogowych (test jezdny SORT), niezależnie od zastosowanego źródła napędu.

W rozdziale 5 szczegółowo zaprezentowano zagadnienia związane z przyjętą autorską metodyką badawczą. Dotyczyły one w szczególności pomiarów zawartości substancji toksycznych w spalinach oraz pomiarów i rejestracji parametrów jazdy autobusów miejskich.

Przybliżono przebieg wykonywanych cykli jezdnych, sprecyzowano warunki odwzorowujące rzeczywistą eksploatację pojazdów komunikacji zbiorowej oraz określono wymaganą liczbę prób pomiarowych do przeprowadzenia. Ponadto zaprezentowano obiekty badań, którymi były autobusy miejskie zasilane olejem napędowym i sprężonym gazem ziemnym, oraz mobilną aparaturę naukowo-badawczą typu PEMS.

Rozdział 6 zawiera prezentację i analizę wyników badań według procedury RDE (Real

Driving Emissions). Przedstawiono uzyskane rezultaty z przeprowadzonych cykli

pomiarowych dla testów jezdnych typu SORT oraz dla badań drogowych na trasach

miejskich. Wyznaczono charakterystyki gęstości czasowych pracy pojazdów, udział czasu pracy silników spalinowych oraz charakterystyki emisyjne. Uzyskane wyniki pozwoliły m.in.

na określenie wskaźników emisyjności toksycznych składników spalin.

W ostatnim rozdziale pracy (7) dokonano jej krótkiego podsumowania wraz z przedstawieniem najważniejszych wniosków z przeprowadzonych prac badawczych oraz nakreśleniem kierunków dalszych dociekań naukowych. Przeprowadzona w ramach dysertacji doktorskiej analiza posiada uniwersalny charakter, stwarzając tym samym możliwość szerokiego aplikacyjnego zastosowania dla transportu drogowego.

2. OCENA ROZPRAWY

Jak już wspomniano recenzowana praca doktorska poświęcona jest zagadnieniom zastosowania paliwa alternatywnego w postaci sprężonego gazu ziemnego w wybranych środkach drogowego transportu masowego. Tematyka pracy, jej cel i zakres są wybrane trafnie. Podjęty w rozprawie problem jest aktualny i ważny nie tylko z naukowego, lecz także z praktycznego punktu widzenia. Mgr inż. Michał Dobrzyński przeprowadził bowiem m.in.

dokładną analizę ekonomiczną (na podstawie zmierzonego rzeczywistego zużycia paliwa) w zakresie zasilania autobusów miejskich ON i CNG, co jest istotne dla przedsiębiorstw komunikacyjnych w aspekcie szacowania kosztów eksploatacji użytkowanego i nabywanego taboru.

Po wnikliwym zapoznaniu się z treścią ocenianej rozprawy doktorskiej należy stwierdzić, że przyjęty cel pracy został przez Doktoranta w pełni osiągnięty, a wykonane badania emisyjności układu napędowego autobusów miejskich zasilanych różnymi paliwami wskazały na dalsze ciekawe kierunki prac naukowo-badawczych. Warto w tym miejscu nadmienić, że w ramach realizacji dysertacji przeprowadzono szereg skomplikowanych badań drogowych ww. autobusów według procedury RDE, będącej przyszłością badań homologacyjnych pojazdów silnikowych w aspektach toksyczności spalin.

Przedłożona przez mgr. inż. Michała Dobrzyńskiego rozprawa doktorska zawiera oryginalne ujęcie problemu naukowego i świadczy o opanowaniu przez jej Autora naukowych metod eksperymentalnych i analitycznych stosowanych w dyscyplinie Transport. Autor w dysertacji podjął się ambitnego zadania, które z oczywistych względów nie wyczerpuje całości zagadnień związanych z oceną emisji zanieczyszczeń w spalinach pojazdów zasilanych paliwem alternatywnym w postaci sprężonego gazu ziemnego. Warto byłoby na przykład podjąć się badań mających na celu określenie emisji cząstek stałych, zwłaszcza w zakresie ich zawartości liczbowej w spalinach, co jest szczególnie ważne w aspekcie aktualnych europejskich i światowych przepisów emisyjnych (tzw. homologacja typu).

Pod względem merytorycznym rozprawa nie budzi większych zastrzeżeń. Analizując jej treść, można jednak zauważyć pewne usterki i niedociągnięcia, wśród których wymienić można:

Uwagi ogólne:

1. Przedstawiona w rozdziale 2 analiza zawiera wiele ciekawych informacji na temat paliw alternatywnych, które można zastosować w pojazdach. Przedstawiono szczegółowe charakterystyki paliw ciekłych i gazowych, w tym sprężonego gazu ziemnego. Uważam, że wartościowym dla ocenianej pracy doktorskiej byłoby wykonanie oprócz badań emisyjnych autobusów zasilanych CNG także badań autobusów zasilanych biometanem, którego skład chemiczny znacznie odbiega od

„czystego” paliwa gazowego.

2. W rozdziale 3 opisano bardzo szczegółowo nowoczesne rozwiązania systemów

napędowych zasilanych paliwami gazowymi przeznaczone dla pojazdów kategorii PC

i HDV. Natomiast w pracach badawczych zajęto się jedynie grupą autobusów miejskich. Dlaczego nie wykonano i przedstawiono wyników badań drogowych dotyczących innych grup pojazdów?

3. Zastosowana w badaniach aparatura pomiarowa pozwoliła zarejestrować rozbudowany zbiór danych, których analiza pozwoliła uzyskać cenne informacje dotyczące nie tylko emisji toksycznych składników spalin, ale również rzeczywistych parametrów pracy badanych autobusów. Ze względu na rozwój dziedziny badań pojazdów w rzeczywistych warunkach eksploatacji (RDE) powstają różne procedury dotyczące analizy wyników pomiarów prowadzonych właśnie w taki sposób. Dlaczego nie wykorzystano w analizach tego typu procedur, np. NTE lub UE 582/2011?

Uwagi szczegółowe:

1. Praca zawiera pewne niedociągnięcia redakcyjne, przede wszystkim w postaci tzw.

literówek.

2. Od rozdziału 3 należy nieznacznie zaktualizować numerację stron w spisie treści.

3. W wykazie ważniejszych skrótów i oznaczeń trudno doszukać się tych drugich, stąd sugeruje się zmianę nazwy tej części rozprawy.

4. Str. 3 – istnieje drobna nieścisłość co do liczby stron pracy – podano 112, podczas gdy wynosi ona 111.

5. Str. 3 – „… określono wymaganą ilość przeprowadzonych prób pomiarowych.” – próby są policzalne, stąd powinno być „liczbę przeprowadzonych prób pomiarowych”.

6. Str. 15 – z pewnością Autorowi pracy chodziło o proces estryfikacji a nie „ekstryfikacji”.

7. Rys. 2.4 – może warto byłoby wprowadzić inne oznaczenie dotyczące tzw.

przebiegowego zużycia paliwa – G

w nomenklaturze motoryzacyjnej oznacza bowiem godzinowe lub sekundowe zużycie paliwa; ponadto zastosowano nieprawidłowy zapis jednostki po wartości liczbowej – dot. „100km”.

8. Rys. 2.7 – podpis pod rysunkiem jest nieczytelny.

9. Str. 28 – zastosowano inny od ogólnie przyjętego w pracy sposób zapisu zakresu wartości liczbowych – „20-25”.

10. W tekście pracy występuje czasami niejednolity sposób zapisu oznaczeń wielkości fizycznych – kursywą bądź pismem prostym (por. np. str. 26, 29, 59, 60, 69, tab. 5.3).

11. Tab. 2.7 – norma emisji spalin Euro dla pojazdów ciężkich winna być zapisana cyfrą rzymską.

12. Rys. 2.11 – podpis pod rysunkiem jest nieczytelny.

13. Rys. 3.1 – podpis pod rysunkiem jest nieczytelny.

14. Str. 38, 43, 44, 48, 93 – zastosowano inny od ogólnie przyjętego w pracy sposób zapisu zakresu wartości liczbowych – np.: „rys. 3.2 – 3.4”, „1,02÷1,10”.

15. Warto byłoby ujednolicić w pracy zapis pojęcia objętości skokowej – zdarza się

„pojemność skokowa”.

16. Str. 42 – „Dane techniczne pojazdu zamieszczono w tab. 3.” – powinno być tab. 3.3.

17. Str. 44 – „Przechowywanie paliwa gazowego w fazie ciekłej wymaga specjalnych zbiorników (rys. 15).” – powinno być rys. 3.14.

18. Tab. 3.8 – nie podano wartości prędkości obrotowej silnika dla maksymalnej mocy i maksymalnego momentu obrotowego.

19. Str. 49 – pojazdy komunikacji miejskiej należą przecież do grupy HDV, stąd niezrozumiałe dla recenzenta jest ich osobne wyszczególnienie w punkcie 3.3.

20. Tab. 5.3 – brak odniesienia w tekście pracy; ponadto brakuje indeksów dolnych przy

związkach chemicznych.

21. Rys. 6.1 – podpis pod rysunkiem jest nieczytelny.

22. Rys. 6.10 – podpis pod rysunkiem jest nieczytelny.

23. Rys. 6.19 – podpis pod rysunkiem jest nieczytelny.

24. Str. 90 – „a)” i „b)” należy przenieść na kolejną stronę.

25. Str. 100 – błędna numeracja równań – powinno być (6.1) i (6.2).

26. W tekście pracy zaobserwowano niejednolity sposób zapisu wartości procentowych – por. str. 105 i 106 z resztą tekstu pracy.

27. Str. 111 – istnieje drobna nieścisłość co do liczby stron pracy – podano 114, podczas gdy wynosi ona 111.

Mimo tych uwag krytycznych, niektórych dyskusyjnych, wysoko oceniam poziom merytoryczny rozprawy, i to zarówno ze względu na intelektualny wkład jej Autora, jak i na zakres włożonej przez Niego pracy. Na podkreślenie zasługuje oryginalnie i twórcze podejście do kwestii analizy właściwości ekologicznych pojazdów transportu masowego w postaci autobusów miejskich wyposażonych w ciężkie silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym (HDD – Heavy Duty Diesel). Metodyka badań oraz otrzymane wnioski z badań eksperymentalnych stanowią w znacznej części oryginalny wkład Autora.

Osiągnięcia pracy:

‒ opracowanie autorskiej metodyki badań autobusów miejskich w rzeczywistych warunkach eksploatacji,

‒ przeprowadzenie skomplikowanych badań drogowych autobusów miejskich według procedury RDE, cechującej się wysokim potencjałem przyszłego zastosowania w europejskich badaniach homologacyjnych,

‒ szczegółowe określenie warunków eksploatacji silników badanych pojazdów – analiza stanów pracy układu napędowego,

‒ wykonanie doświadczalnej oceny parametrów ekologicznych autobusów miejskich zasilanych różnymi paliwami; weryfikacja wartości emisji związków szkodliwych w zależności od warunków eksploatacji obiektów badań,

‒ przeprowadzenie analiz ekonomicznych w zakresie użytkowania wybranych autobusów miejskich, opartych na wynikach badań drogowych – określenie energochłonności ruchu pojazdów.

Reasumując, wszystkie wymienione w recenzji elementy pracy stanowią o jej dużej wartości merytorycznej. Na uwagę zasługują zwłaszcza następujące aspekty:

 uzasadnienie podjęcia tematu, które wynika z wnikliwej analizy stanu wiedzy,

 precyzyjne zdefiniowanie przedmiotu badań i celu rozprawy,

 dobry poziom merytoryczny pracy i obeznanie z rozważaną tematyką,

 przeprowadzenie nowoczesnych badań eksperymentalnych identyfikujących liczne parametry (w tym ekologiczne) w zakresie rozważanej tematyki,

 konsekwencja w definiowaniu pojęć naukowych i duży nacisk na poprawne i jednoznaczne stosowania terminów i określeń naukowych z szeroko pojętego obszaru transportu drogowego, budowy i eksploatacji silników spalinowych oraz paliw alternatywnych,

 umiejętność korzystania z literatury specjalistycznej, w tym pozycji literatury światowej,

 dbałość o poziom merytoryczny i edytorski pracy,

 przejrzysta i logicznie ułożona struktura pracy oraz jej cel i zakres.

3. PODSUMOWANIE

Na podstawie analizy przedstawionej do oceny rozprawy doktorskiej stwierdzam, że:

 Autor dokonał trafnego wyboru tematyki swojej pracy, a jej zakres spełnia stawiane wymagania,

 zasadnicze cele pracy zostały w pełni osiągnięte w zakresie przyjętym przez Doktoranta, a prezentowane wyniki są uzyskane w poprawnie przeprowadzonych studiach i eksperymentach własnych i mogą służyć do dalszych prac,

 formalny układ pracy jest prawidłowy,

 dysertacja dobrze nawiązuje do aktualnej wiedzy i praktyki, a w niektórych elementach wnosi do nich nowe treści,

 znaczna akumulacja należycie ustalonych faktów sprawia, że zostało spełnione kryterium logicznej poprawności pracy.

Powyższe fakty świadczą o dobrych kompetencjach Doktoranta w zakresie samodzielnego prowadzenia badań naukowych oraz wskazują na Jego dużą wiedzę ogólną i umiejętności praktyczne w dyscyplinie naukowej Transport, w której mieszczą się zagadnienia objęte rozprawą.

Stwierdzam zatem, że praca mgr. inż. Michała Dobrzyńskiego pt.: Wpływ

zastosowania gazu ziemnego na parametry ekologiczne wybranych środków transportu

(promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz) spełnia wymagania stawiane rozprawom

doktorskim, w rozumieniu ustawy „O stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o

stopniach i tytule w zakresie sztuki” z dnia 14 marca 2003 roku, a Autor może być

dopuszczony do jej publicznej obrony.