Prof.dr hab.inż. Andrzej Teodorczyk Warszawa, 12 listopada 2018 Politechnika Warszawska
Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa ul. Nowowiejska 25, 00-665 Warszawa tel. 235-5226; fax. 8250-565
e-mail: ateod@itc.pw.edu.pl
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr inż. Michała Gołębiewskiego
pt. „Optymalizacja procesu spalania w komorach wstępnych silników gazowych ”
opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej
Recenzowana praca ma objętość 113 stron i zawiera 8 rozdziałów oraz wykaz symboli i oznaczeń literaturę (76 pozycji), 10 tablic, 104 rysunki i 2 załączniki.
1. Wybór tematu rozprawy
Temat rozprawy wybrano bardzo dobrze. Autor zajął się interesującym i aktualnym problemem optymalizacji spalania w gazowych silnikach tłokowych pod kątem zmniejszenia emisji szkodliwych składników spalin.
Nowe dyrektywy Unii Europejskiej określają limity emisji dla urządzeń energetycznych, które dotąd nie podlegały kontroli. Dotyczy to m.in. tłokowych silników gazowych, z których nowo produkowane spełniają te wymagania, ale starsze jednostki będące powszechnie w użyciu w kraju i na świecie, już nie. Silniki te charakteryzują się ekonomicznością i niezawodnością i przez długie lata mogą jeszcze pracować pod warunkiem poprawy ich emisji.
Biorąc powyższe pod uwagę uważam wybór tematu recenzowanej rozprawy doktorskiej za trafny, aktualny i innowacyjny. Wiedza i doświadczenia zebrane w trakcie prac nad rozprawą mogą być przydatne w polskim przemyśle.
2. Zawartość rozprawy, elementy nowości, oryginalność
W rozdziale pierwszym autor przedstawił bardzo krótkie wprowadzenie uzasadniające
podjęcie tematu rozprawy. Pisząc w rozdziale 1.3 o spalaniu mieszanek ubogich autor
skonkludował, że „wszystkie zmiany konstrukcyjne, stosowane w silnikach w celu
zwiększenia sprawności, są zawsze korzystne z ekologicznego punktu widzenia”. Ponieważ
spalanie mieszanek ubogich jest metodą realizacji procesu roboczego, a nie zmianą
konstrukcyjną, nasuwa się pytanie jakie zmiany konstrukcyjne miał autor na myśli. Na
Krótki rozdział 2 zawiera przejrzyste sformułowanie celu, zadań badawczych i tez pracy.
Podstawową nowością recenzowanej rozprawy jest zbadanie możliwości polepszenia parametrów procesu spalania w gazowym silniku tłokowym poprzez zastosowanie zapłonowej komory wstępnej. Cel ten autor postanowił zrealizować poprzez wykonanie analiz numerycznych oraz badań doświadczalnych modelowych i w rzeczywistym silniku. Na podstawie wiedzy literaturowej i wstępnych badań własnych doktorant sformułował trzy oryginalne tezy badawcze:
zastosowanie zapłonowej komory wstępnej umożliwia redukcję emisji tlenku azotu w spalinach, przy utrzymaniu parametrów użytkowych silnika
przebieg spalania w komorze wstępnej ma znaczący wpływ na poprawę emisji NO i HC w komorze głównej silnika
geometria komory wstępnej (umiejscowienie iskry zapłonowej) ma wpływ na emisję toksycznych składników spalin z silnika.
W celu zweryfikowania postawionych tez autor przeprowadził badania eksperymentalne i symulacje numeryczne.
W rozdziale 3 doktorant opisał wybrane wielkości opisujące proces spalania, tj.
temperatura samozapłonu, temperatura spalania i prędkość spalania oraz wielkości charakterystyczne dla procesu spalania w silniku gazowym takie jak kąt wyprzedzenia zapłonu, współczynnik nadmiaru powietrza, energia zapłonu. Przy omawianiu temperatury spalania autor popełnił szereg nieścisłości, które wymagają komentarza. Po pierwsze, pojęcie adiabatycznej temperatury spalania dotyczy także przypadku spalania w warunkach występowania dysocjacji produktów. Adiabatyczna temperatura spalania jest wielkością teoretyczną, gdy się ją oblicza, lub rzeczywistą, gdy się mierzy doświadczalnie w warunkach adiabatycznych (praktycznie niemożliwe). Do wyznaczenia teoretycznej adiabatycznej temperatury spalania konieczna jest znajomość składu mieszaniny palnej, warunków początkowych (temperatura, ciśnienie) oraz przyjęcie składu produktów spalania (od czego zależy wynik obliczeń). Do wyznaczenia tej temperatury konieczne jest także przyjęcie modelu spalania, izobarycznego lub izochorycznego, bo tylko dla nich można to zrobić. Po drugie, maksymalna wartość adiabatycznej temperatury spalania jest osiągana nie dla mieszanek stechiometrycznych lecz lekko przebogaconych (λ = 0,95). Po trzecie, wzory (3.1), 3.2), (3.4 i (3.5) zawierają błędy, takie jak, niebilansowanie się pierwiastków czy niebilansowanie się jednostek dla poszczególnych członów
Przedstawiony na stronie 17 model matematyczny przepływu z reakcją chemiczną
jest błędny i niepełny (brak zależności opisujących szybkość reakcji i wywiązywanie się
ciepła).
Na rysunku 3.4 przedstawiającym zależność adiabatycznej temperatury spalania od współczynnika nadmiaru powietrza nie podano jakiej mieszaniny palnej dotyczy i dla jakich warunków temperatury i ciśnienia.
Przy omawianiu turbulentnej prędkości spalania ograniczono się do klasycznej wiedzy historycznej pomijając osiągnięcia z ostatniego dwudziestolecia, w tym fundamentalny wykres Borghi.
Rozdział 4 zawiera syntetyczny opis mechanizmów emisji związków toksycznych podczas spalania paliw w silnikach gazowych oraz metod ich ograniczania.
W rozdziałach literaturowych 3 i 4 autor nie ustrzegł się szeregu innych błędów i nieścisłości, ujętych w uwagach szczegółowych.
Istotnym niedociągnięciem rozprawy jest brak dokładnego przeglądu prac innych autorów w obszarze tematyki rozprawy. Autor wymienia kilka z tych prac, podaje wynikające z nich korzyści ze stosowania komór wstępnych, ale bez szczegółowego omówienia.
Rozdział 5 zawiera wyniki jednowymiarowych i trójwymiarowych obliczeń numerycznych procesu spalania dwustopniowego dla różnych konfiguracji komór wstępnych.
Analiza jednowymiarowa pozwoliła na określenie wpływu składu mieszaniny palnej w komorze wstępnej na parametry procesu spalania w komorze głównej, takie jak stężenie tlenku azotu, ciśnienie i ilość wydzielonej energii cieplnej. Obliczenia wykonane zostały przy użyciu zaawansowanego kodu komputerowego Cantera z dwoma złożonymi mechanizmami chemicznymi (GRI-Mech3.0 i SanDiego). Są to obliczenia standardowe w spalaniu, ale zaawansowane, wymagające wiedzy i umiejętności posługiwania się złożonym kodem komputerowym. Wnioski z obliczeń są generalnie poprawne jakościowo, ale bez weryfikacji z danymi doświadczalnymi. Niejasne jest, skąd biorą się oscylacje wyników obliczeń na rysunkach 5.7 i 5.8. W drugiej części rozdziału 5 autor przedstawił oryginalne wyniki symulacji numerycznych CFD badanych procesów spalania w modelowej komorze z zapłonową komorą wstępną. Brak w rozprawie informacji o tym, czy wykonano badania wpływu wielkości siatki na wyniki obliczeń i w jaki sposób dobierano krok czasowy.
Obliczenia trójwymiarowe pozwoliły na wytypowanie najlepszej konfiguracji komory wstępnej dającej najkorzystniejsze wartości wymienionych parametrów spalania.
Rozdział 6 zawiera najbardziej wartościowe wyniki własnych podstawowych badań
doświadczalnych doktoranta dotyczące spalania mieszanin metanowo-powietrznych w
modelowej komorze spalania o stałej objętości. Wykonano badania procesu spalania
inicjowanego w komorach wstępnych o dwóch konfiguracjach otworów łączących z komorą
główną i dwóch różnych miejscach zapłonu iskrowego. W badaniach zmieniano skład
mieszaniny metanowo-powietrznej doprowadzanej do komory wstępnej przy zachowaniu
stałego składu w komorze głównej. Badano także wpływ położenia punktu zapłonu w
węglowodorów oraz ciśnienie. Badania te potwierdziły, że dla uzyskania najniższej emisji NO i THC optymalne jest stosowanie zapłonu w pobliżu otworu łączącego komorę wstępną z główną przy jednoczesnym użyciu w komorze wstępnej mieszanki ubogiej.
W rozdziale 7 omówiono badania spalania w cylindrze silnika gazowego typu GMVH z komorą wstępną z użyciem czterech konfiguracji systemu zapłonowego. Pierwszą, była jedna świeca zapłonowa umieszczona w głowicy. Druga, zawierała dwie komory wstępne w miejsce świec zapłonowych. Kolejne dwa warianty zawierały jedną komorę wstępną umieszczoną w miejscu świecy. Dodatkowo przeanalizowano wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu oraz współczynnika nadmiaru powietrza w komorze wstępnej. Badania wskazały najlepszą konfigurację dającą najniższą emisję NO.
Szkoda, że dla porównania nie wykonano badań dla dwóch świec w głowicy, co jest standardową konfiguracją zapłonową silnika. Na stronie 88 autor pisze, że nie zrobiono tego z powodów technicznych (jakich?), a w podsumowaniu na stronie 101 pisze, że zrobiono.
Gdzie leży prawda?
Rozprawa zakończona jest syntetycznym podsumowaniem zawierającym wnioski końcowe oraz kierunki dalszych badań.
3. Ocena metodologiczna pracy
Zamierzony przez autora cel rozprawy wymagał zaprojektowania eksperymentu i użycia złożonego stanowiska laboratoryjnego, przeprowadzenia zaawansowanych badań doświadczalnych oraz przeanalizowania i opracowania wyników. Badania przeprowadzono także na rzeczywistym obiekcie przemysłowym, co znacząco podniosło skalę trudności i wymagania czasowe. Cel eksperymentalny został w pełni osiągnięty i uzyskane wyniki doświadczalne stanowią wartościowy i oryginalny dorobek naukowy autora.
Zamierzony cel pracy wymagał także przeprowadzenia badań numerycznych przy użyciu zaawansowanych kodów numerycznych, jedno- i trójwymiarowego. Badania numeryczne miały charakter jakościowo-rozpoznawczy i wartość naukowa wyników obliczeń jest mniejsza, tym niemniej stanowią one bardzo wartościowe uzupełnienie rozprawy.
Praca dostarcza szeregu ważnych, oryginalnych wyników i interpretacji zjawisk, będących rezultatem solidnej i wytrwałej pracy naukowej. Autor zastosował standardowe, ale odpowiednie metody badawcze, eksperymentalne i numeryczne i wydaje się, że wydobył wszystkie informacje zawarte w wynikach. Dyskusja wyników jest pogłębiona i poprawna.
Tezy badawcze pracy zostały udowodnione.
Rozprawa napisana jest dobrym językiem polskim, z poprawną terminologią naukowo-techniczną. Jest zwięzła i konkretna.
Oceniam pozytywnie postawienie problemu badawczego, metodologię
przeprowadzonych badań oraz analizę i interpretację ich wyników. Rozprawa oprócz
walorów naukowych ma wartość praktyczną. Jej niezaprzeczalnym walorem jest połączenie w spójną całość badań numerycznych, laboratoryjnych i przemysłowych.
4. Uwagi szczegółowe i edytorskie
1. Autor w wielu miejscach rozprawy stosuje niedozwoloną jednostkę temperatury °C, zamiast jednostki SI – K.
2. Skale całkowa i Kolmogorowa turbulencji nie są bezwymiarowe, mają wymiar [m].
3. Str.5: u’ – „Kwadratową wartości fluktuacji prędkości” - ??????
4. Str.11, rys.1.5: jak zdefiniowana jest linia spalania i obszar detonacji (dlaczego są zaznaczone i co oznaczają)
5. Str.17: brak informacji co to jest Yi, ji, nie ma tych wielkości w spisie oznaczeń
6. Str.18: laminarna prędkość spalania opisuje prędkość rozprzestrzeniania się frontu płomienia względem mieszaniny palnej ale w ściśle określonych warunkach. Jakich?
7. Str.20: wzór (3.11) nie jest na średnią prędkość przebiegu reakcji chemicznych 8. Str.20: rys.3.5 i 3.6 – dla jakiej mieszaniny palnej i w jakich warunkach?
9. Str.29: brak źródła wzoru (3.23)
10. Str.31, 10d: NO powstaje w strefie płomienia i szybkość tworzenia zależy od temperatury oraz stężenia tlenu i azotu w tej strefie (nie w spalinach)
11. Str.31, 4d: w reakcji (4.2) nie bierze udziału tlen atomowy 12. Str.48: mało czytelne kolory na rys.5.4
13. Str.65: tabela 6.1 – jak obliczono Ta i SL?
14. Str.66: brak powołania na źródło dla programu GERG.
15. Str.66: Z jakim współczynnikiem bezpieczeństwa napełniano butle mieszanką do 9 bar?
16. Str.86: badano rozkład czy przebieg ciśnienia wewnątrz silnika?
17. Str.87: tablica 7.4 – dlaczego przy braku zapłonu powstają NO, CO i THC?
18. Str.91, 92, 93: dlaczego punkty na rysunkach 7.19-7.23 nie układają się losowo tylko wyraźnie harmonicznie?
19. Str.106: w pozycji [54] pominięto jednego autora 20. Str.107: pozycja [58] jest powtórzona ([33])
21. Str.107: pozycja [66] nie ma autora Uwagi edytorskie:
Lp
Strona Wiersz g – od góry d – od dołu
Jest Powinno być
1 5 8d t temperatura T temperatura
2 6 17d Tlenek wapnia Dwutlenek ceru
3 14 10d w funkcji czasu w funkcji temperatury
4 14 5d przecina się styka się
5 16 9d STANJAN, którego mechanizm STANJAN, którego model
6 17 14d wymaka wymaga
8 18 16d średnich dróg swobodnych średnich dróg swobodnych cząsteczki
9 19 5g współczynnik przewodzenia
mieszanki
współczynnik przewodzenia ciepła mieszanki
10 19 2d koncentracja końcowa produktów masa cząsteczkowa spalin
11 28 4g Lewia Lewisa
12 28 18g ścianęą ścianę
13 33 13d reakcja reakcji
14 66 8g 6.1 (6.1)
15 67 4g element elementem
16 67 23d modernizowanym modernizowanych
17 71 1g Cieśnienie Ciśnienie
18 74 18d, 16d tupu typu
19 99 23d osiągniecia osiągnięcia
20 105 8d combusiton combustion
