dr hab. inż. Ireneusz Pielecha, prof. PP Instytut Silników Spalinowych i Transportu Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Politechnika Poznańska
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr. inż. Andrzeja Ziółkowskiego pt. „Zwiększenie efektywności spalinowego układu napędowego
przez zastosowanie generatora termoelektrycznego”
(promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz)
Podstawa opracowania:
Zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej
Nr DR-63/489/01/2016 z dnia 05.08.2016 r.
1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ROZPRAWY
Dążenie do poprawy wydajności współczesnych silników spalinowych ukierunko- wane jest na ciągłe zwiększanie mocy silników a jdno0czesną próbą ograniczania zuży- cia paliwa. Mimo, że nie jest ono ograniczane wprost przepisanymi legislacyjnymi, to pośrednio na tę wartość oddziałuje ograniczana już w sposób liczbowy, emisja dwutlen- ku węgla z pojazdów. Z tego względu duże znaczenie przypisuje się obecnie tzw. downsi- zingowi. Oprócz tego powstał również kierunek rozwoju silników określany jako rightsi- zing, a oznaczający w skrócie dopasowanie silnika (pojemności i jego mocy) do wielkości pojazdu.
Zwiększanie wymagań dotyczących silnika spalinowego powoduje jednocześnie rozwój pozasilnikowych systemów zwiększających sprawność całych układów napędo- wych. W nurcie tych działań można zidentyfikować termogeneratory (których dotyczy analizowana rozprawa), pozwalające na odzyskiwanie części energii spalin tworzącej tzw. stratę wylotu. Jest ona częściowo odzyskiwana w układach turbodoładowania, jed- nak wielkość tych strat wynosi obecnie około 25-30%.
Wykorzystania ciepła spalin z użyciem termogeneratorów po raz pierwszy wykaza- no w roku 1963. Pracę tę opublikował Neild (SAE, 1963), a współczesny rozwój układów termoelektrycznych spowodował, że układy te znajdują się w centrum zainteresowania
naukowców od ponad 20 lat. Ciągłe doskonalenie konstrukcji termogeneratorów i ich możliwości zwiększania sprawności wskazuje na istotność zagadnienia w zastosowa- niach pojazdowych. Właśnie takim zagadnieniem zajął się w pracy Doktorant. Oznacza to, że tematyka przedstawiona w dysertacji jest nadal aktualna, a co ważniejsze – nie w pełni poznana.
Doktorant, mgr inż. Andrzej Ziółkowski podjął w pracy właśnie taki temat, stawiając sobie za jej cel, zwiększenie sprawności układu napędowego przy wykorzystaniu termo- generatora pomocą badań eksperymentalnych oraz symulacyjnych.
Rozprawę opracowano na 141 stronach tekstu obejmującego 10 rozdziałów, wykaz oznaczeń i skrótów oraz spis literatury zawierający 136 publikacji.
W rozdziale pierwszym zatytułowanym Wstęp Doktorant przedstawił wprowadze- nie w tematykę rozprawy oraz – co wydaje się przedwczesne – podał zarysy dotyczące ogólnej budowy termogeneratora wykorzystanego w pracy. Już na tym etapie pracy po- dano, że wyposażono ten termogenerator w układ pomiaru temperatury i ciśnienia ga- zów wylotowych oraz pomiar napięcia i natężenia prądu modułów termoelektrycznych.
W kolejnym drugim rozdziale dokonano analizy uwarunkowań prawnych dotyczą- cych limitów emisji drogowej dwutlenku węgla. Wskazano w nim na tendencje zmian emisji drogowej dwutlenku węgla. Przedstawiono także – bez wskazania zbieżności z tematyką pracy – homologacyjne testy jezdne wykorzystywane w badaniach pojazdów obecnie i w przyszłości.
Rozdział trzeci to analiza tendencji rozwoju silnikowych układów napędowych w aspekcie zwiększania efektywności i ograniczania zużycia paliwa. Zamieszczenie pod- rozdziału 3.1 dotyczącego sprawności silnika spalinowego wydaje się dyskusyjne. Obec- nie każde prace badawcze dotyczące silnika spalinowego prowadzą do zwiększenia tej sprawności. Oceniana praca dotyczy poszukiwania możliwości zwiększenia sprawności układu napędowego, więc należało poszukiwać takich właśnie metod. Wydaje się więc, że analiza np. dotycząca rozwiązań wtryskiwaczy silników benzynowych i wspominanie o laserowym wykonaniu otworków nie jest uzasadnione. Kolejny podrozdział jest już ściśle związany z tematyką rozprawy i dotyczy rozwiązań zwiększenia sprawności ukła- dów napędowych pojazdów.
W rozdziale czwartym Autor dokonał zarówno analizy zjawisk termoelektrycznych, jak również scharakteryzował materiały do budowy termoelementów i na tej podstawie przedstawił współczesne rozwiązania termogeneratorów.
Rozdział piąty zatytułowany „Cel, teza i zakres pracy” zawiera sformułowanie celu i wskazanie prac, które ten cel pozwalają osiągnąć. W dalszej części przedstawiono szcze- gółowo cele cząstkowe oraz tezę pracy i schematyczny sposób rozwiązania postawione- go problemu naukowego.
W rozdziale szóstym zaprezentowano program, metodykę wraz z obiektami badaw- czymi. Zaprezentowano testy badawcze stanowiące tło badawcze termogeneratorów w układach wylotowych silników.
Rozdział siódmy to prace własne Autora dotyczące opracowania metody wyznacza- nia straty wylotu silnika spalinowego. Jest to jeden z obszerniejszych rozdziałów, które- go podrozdział pierwszy raczej powinien być zawarty w metodyce badań, gdyż takie jest
jego przeznaczenie. W dalszej części rozdziału zaprezentowano wyniki badań parame- trów termodynamicznych układów wylotowych pojazdów w warunkach badań drogo- wych oraz silników na hamowniach silnikowych (statycznej i dynamicznej).
W rozdziale ósmym Autor przedstawił własne konstrukcje termogeneratorów wska- zując na różnice w budowie kolejnych prototypów oraz przedstawiając badania symula- cyjne wykorzystujące badania eksperymentalne.
Analizą odzysku strumienia energii gazów wylotowych Autor zajął się w ostatnim rozdziale badawczym – dziewiątym. Przedstawiono w nim badania stanowiskowe w testach dynamicznych oraz statycznych z zamontowanym termogeneratorem w ukła- dzie wylotowym silnika.
Pracę kończy Podsumowanie z wnioskami i kierunkami dalszych prac badawczych.
2. OCENA ROZPRAWY
2.1. Uwagi ogólne
Pod względem merytorycznym i metodycznym pracę oceniam dość wysoko, gdyż ogólnie odpowiada postawionemu celowi, sformułowanym zadaniom badawczym i jest dostosowana do obowiązujących w tym zakresie wymogów. Układ logiczny treści roz- prawy jest dość przejrzysty (pewne uwagi zaprezentowano wcześniej przy omawianiu zawartości pracy), a prezentowane treści są dość dobrze powiązane z układem rozpa- trywanych zagadnień.
Pewnym ograniczeniem rozprawy jest brak powiązania między niektórymi treściami zawartymi w początkowych rozdziałach dotyczących np. charakterystyki termogenera- torów z uzyskanymi wynikami, co powoduje, że warstwa interpretacyjna analiz badań mimo, że jest dość obszerna, nie nawiązuje do treści przedstawionych w początkowych rozdziałach.
Autor dokonał szerokiej prezentacji wyników swych rozważań, opisał przeprowa- dzane badania eksperymentalne i symulacyjne oraz starał się nadać ich wynikom cha- rakter danych przydatnych do zastosowań w uzyskaniu większej sprawności spalino- wych układów napędowych.
Wnioski z przeprowadzonych analiz i badań są sformułowane trafnie i adekwatnie do ich zakresu i charakteru. Całość pracy cechuje dość staranna jej redakcja i poprawny styl pisarstwa. W zakresie omawianych zagadnień występują silne akcenty praktyczne wy- wodzące się z dobrego rozeznania Autora w zakresie rozpatrywanej problematyki.
Najważniejsze osiągnięcia pracy:
1. Sformułowanie ciekawego, wynikającego z praktycznego zastosowania problemu dotyczącego możliwości zwiększenia sprawności spalinowych układów napędo- wych przez zastosowanie termogeneratora.
2. Budowa kilku prototypów termogeneratorów, umiejętność powiązania badań eksperymentalnych pozwalających na określenie warunków brzegowych i po- czątkowych do badań symulacyjnych prototypów, a następnie ich badania w wa- runkach silnikowych.
3. Wykonanie szerokiego spektrum badań wymagających umiejętności obsługi za- równo hamowni silnikowych oraz urządzeń do pomiaru emisji spalin.
4. Umiejętne zastosowanie dynamicznej hamowni silnikowej do odwzorowania rzeczywistych warunków jazdy pojazdów w celu określenia sprawności termo- generatora.
5. Staranne i przejrzyste wykonanie pracy. Poprawny język techniczny i konse- kwencja w stosowaniu terminologii.
Budzi jednak pewien niedosyt lub zastrzeżenia kilka fragmentów rozprawy, które nie obniżają mojej ogólnej, pozytywnej oceny wszystkich aspektów pracy (wyboru tematu, uzasadnienia, analiz, przeprowadzonych badań, wnioskowania, itp.).
1. Czy przedstawiona w tytule rozprawy „efektywność” jest traktowana przez Autora tożsamo ze sprawnością? Dlaczego więc w tytule nie zastosowano typowych okre- śleń dotyczących układu napędowego? Dlaczego w pracy nie podano wyjaśnienia tej terminologii. Oprócz efektywności silnika Autor stosuje pojęcie energii odpadowej?
W zagadnieniach silnikowych pojęcie takie raczej nie występuje. Czy do energii od- padowej można zaliczyć również ciepło strat chłodzenia? Jeśli tak, to wówczas nie można mówić o cieple odpadowym w aspekcie termogeneratora. Skąd więc taki pomysł? Czy energia spalin nie była właściwym określeniem?
2. W rozdziale 5 Autor podejmuje próbę udowodnienia tezy pracy w postaci „Zastoso- wanie generatora ATEG w układzie wylotowym może wpłynąć na zwiększenie efek- tywności spalinowego układu napędowego…”. Tak postawiona teza jest już po- twierdzona… bez rozpoczynania badań. Jeśli badania wykażą, że ATEG wpływa na efektywność – jest ona słuszna, ale jeśli wnioski z badań będą dotyczyły sytuacji w której ATEG nie wpłynie na efektywność układu – też jest ona słuszna. Wynika z tego, że badania w żaden sposób nie zanegują tezy pracy. Jest ona zatem zawsze słuszna niezależnie od wyników badań. Czy więc tak określona teza pracy ma sens?
3. Czy brak podstawowych badań autobusów wpłynąłby w jakikolwiek sposób na wy- niki badań termogeneratorów zainstalowanych w układach wylotowych analizowa- nych silników? Oceny sprawności układów napędowych dokonano dla silników po- jazdów osobowych. W jakim więc celu przedstawiono te wyniki dla pojazdów cięża- rowych? Do osiągnięcia celu pracy nie wnoszą one żadnych istotnych wartości. Czy Autor miał na celu przedstawienie wszystkich wyników badań, które prowadził, a które (jak z tego wynika) nie zawsze były uwzględniane we wnioskach prowadzą- cych do potwierdzenia tez pracy?
4. Autor przedstawił zagadnienie wykorzystania termogeneratora w układzie wyloto- wym silnika, jednak nie przedstawił w pracy bilansu ciepła tego układu. Czy Autor może przedstawić zależności dla takiego układu, co pozwoli na stwierdzenie możli- wości poszukiwania zwiększenia jego małej sprawności? Dokonano przecież badań temperatury w 24 punktach termogeneratora? W jakim celu?
5. str. 68. w jaki sposób dokonano wyboru tras przejazdów? Autor pisze, że wybrano je tak, aby odzwierciedlały warunki charakterystyczne dla danej grupy pojazdów. Ale
jak zdefiniowano te warunki oraz jakim kryterium się posłużono, aby stwierdzić, że odzwierciedlają one typowe warunki jazdy??
6. Badania pojazdów bez zamontowanego układu ATEG miały na celu określenie war- tości temperatury w różnych punktach układu wylotowego oraz natężenia wylotu spalin. W jakim celu badano więc temperaturę w filtrze cząstek stałych (w ośmiu punktach?) oraz energię dostarczoną z paliwem?
7. str. 60. Odwołując się do literatury należy rozróżnić aspekty informacji, do których się odwołujemy. Autor opisując analizator Semtech DS pisze, że „Producent podaje również maksymalne wartości masowego natężenia przepływu gazów wylotowych, jakie mogą być mierzone przez dany przepływomierz” i przywołuje… m.in. swoje badania. Wydaje się, że Autorzy tej publikacji nie są producentem tego sprzętu. Po- dawanie więc publikacji (na siłę) nie jest niczym uzasadnione, a wręcz jest błędem.
8. W pracy występują błędy wynikające z powtarzania pewnych stwierdzeń. Na str. 64 Autor pisze, że „obsługa stanowiska odbywa się przy wykorzystaniu systemu PU- MA”, a dalej że stanowisko jest wyposażone w oprogramowanie ISAC 400, które współpracuje z systemem PUMA. Jeśli by nie współpracowało to nie byłoby na wy- posażeniu tego stanowiska. Odnosi się wrażenie, że praca jest w dużej części mate- riałem reklamowym, dotyczącym możliwości badawczych. Czasami opisy tej apara- tury nie są potrzebne a wręcz zbędne. Podobnie w dalszej części tej strony Autor pi- sze, że „do zalet oprogramowania można zaliczyć lepszą dostępność do silnika umożliwiającą stosowanie zaawansowanej aparatury pomiarowej” przywołując od- nośnik literaturowy [49]. Czy rzeczywiście informacje o systemie ISAC dotyczące hamowni dynamicznej pochodzą z konferencji dotyczącej Heat Recovery w Berlinie z 2014 roku? Jest to wątpliwe.
9. str. 85. W jakim celu dokonano pomiarów temperatury w filtrze cząstek stałych aż w ośmiu punktach? Dlaczego podczas regeneracji temperatura gazów wylotowych jest mniejsza niż w tradycyjnych warunkach, przecież regeneracja podwyższa tempera- turę spalin o ponad 200oC? Po raz kolejny Autor analizuje średnie wartości tej tem- peratury – w jaki celu?
2.2. Uwagi szczegółowe
Rozprawa jest dość dobrze opracowana pod względem redakcyjnym. Zwraca uwagę ogólnie poprawny zapis jednostek miar i dobra czytelność zamieszczonych (w dużej liczbie) rysunków. Terminologia stosowana w pracy jest ogólnie poprawna (poza wyjąt- kami przedstawionymi wcześniej) i dość konsekwentnie przestrzegana. Poniżej przed- stawiono wybrane uwagi szczegółowe:
Uwagi edytorskie
1. str. 20. ”Downsizing statyczny polega natomiast na zmniejszeniu wymiarów geome- trycznych silnika, co często wiąże się ze zmniejszeniem liczby cylindrów [88]”. Takie wyjaśnienie downsizingu jest zbyt uproszczone.
2. Sawielew (tekst) czy Sawieliew (spis literatury)?
3. W pracy występują błędy dotyczące języka angielskiego (recyrculation (str. 26) gas- ses (str. 13), rigtsizing (str. 37)).
4. Str. 28: rys. 3.15. Czy różni się zamieszczony w na tym rysunku turbogenerator od ATEG (automotive), jeśli podpis dotyczy tłokowych silników spalinowych?
5. Błędy na rysunkach: 6.2 (ciśnienienia), czy można mówić o poborze ciśnienia, czy poborze spalin o danym ciśnieniu? Błędy występują również w pisowni wyrazów na wielu innych stronach pracy (str. 64, 87).
6. Dlaczego Doktorant przywołując prace innych autorów podaje inicjał imienia i na- zwisko, a innym razem tylko nazwisko? Czy nie można zastosować jednej konwencji zapisu?
7. str. 71. Profil ruchu pojazdu Autor opisuje raz jako V= f(t) a innym razem jako f = V(t) – str. 66? czy te zapisy są tożsame i czy dotyczą innych wielkości?
8. Wzór 7.4. Standardowo odnosi się on do zużycia paliwa wyrażonego w dm3/100 km przy pomiarach emisji w g/km. Obecnie jaka jest jednostka wielkości Ge?
9. str. 94. Trudno na rysunku wykazać prędkość obrotową silnika, gdy rysunek ten zawiera prędkość pojazdu…
10. .str. 100. Czy przedstawiony model zawierał element deflektora? Rysunki 8.4 i dal- sze nie wskazują na taki element w tej konstrukcji?
11. str. 100 i dalsze. Wyniki badań symulacyjnych nie są zbyt czytelne. Dodatkowo róż- ne zakresy temperatury i kolory nie ułatwiają analizy.
12. str. 133. Literatura. Brak jest przyjętej jednej konwencji zapisu źródeł bibliograficz- nych (podwójne daty, różna wielkość liter).
13. str. 107-109. Rysunki nie zawierają żadnego zdania komentarza. W jakim celu je zaprezentowano?
Uwagi merytoryczne
1. str. 20. Czy rzeczywiście Brzeżański wprowadził podział na downsizing statyczny i dynamiczny. Proszę o komentarz odnośnie tego pojęcia i jego pierwotnego użycia.
2. str. 21. Czy istnieją pojazdy hybrydowe? Autor zapewne zastosował skrót myślowy, gdyż istnieją tylko układy napędu hybrydowego, a nie całe pojazdy.
3. str. 60. Czy jest istotny fakt, że do danych modułów w analizatorze jest podłączony komputer sterujący przez złącze AUX2? Czy brak tej informacji w jakiś szczególny sposób zmieni ocenianą pracę?
4. str. 69. Badania pojazdów HDV dokonano na trzech trasach. Opisując jedną z nich Autor pisze, że charakteryzowała ruch pojazdów ciężkich o dmc powyżej 16 ton. Na- tomiast na rysunku do tego tekstu widnieje znak pozwalający na poruszanie się tą trasą pojazdów o dmc poniżej 7 ton? Jak należy rozumieć taki zapis?
5. str. 70: Dlaczego Autor dokonuje opisu testu NEDC i sposobu jego wykonania w od- niesieniu do pojazdów, jeśli w badaniach wykorzystano ten test na hamowni silni- kowej! Po co pisać o pojeździe, którego nie ma? Jaki był cel zamieszczenia informa- cji, że spaliny są doprowadzane do worków pomiarowych? Przecież w takim teście Autor nawet nie mierzył emisji!!
6. W pracy istnieje punkt 6.3.4 zatytułowany „Pomiary odzysku strumienia energii gazów wylotowych”, jednak podpunkt ten nie zawiera żadnych wyników pomiarów.
7. str. 85. Na jakiej podstawie Autor przyjął tak małą wartość opałową oleju napędo- wego równą 38 MJ/kg?
8. str. 95. Czym można wytłumaczyć tak duże rozbieżności w wyznaczonych warto- ściach sekundowego zużycia paliwa w obu przejazdach? Szkoda, że Autor nie wyka- zał ile wartości leży poza 10-procentowym marginesem niepewności.
9. str. 96. Czy weryfikowano poprawność natężenia spalin. W tabeli 7,2 podano, że dla silnika o Vss = 1,9 dm3 i n = 1300 obr/min wydatek wynosi 0,01 kg/s. Czy wartość ta jest prawidłowa? Jakie byłoby teoretyczne natężenie przepływu spalin dla tego punktu pomiarowego? Wartości wydają się zbyt małe…
10. str. 114, rys. 9.10. Z czego wynikają tak duże różnice w temp. t3 i t-wylot. Czujniki umieszczone są raczej blisko siebie?
11. str. 121? Czy obliczenia sprawności odzysku strumienia spalin przy temperaturze 10oC mają znaczenie? Wartości takiej nie można uzyskać w typowym silniku, więc sprawność jest sztucznie zawyżana. Dlaczego nie zastosowano typowych, silniko- wych wartości wejściowych procesu? Co oznacza stwierdzenie, że „największa sprawność odzysku energii spalin wystąpiła podczas hamowania i biegu jałowego”.
Dlaczego duża różnica temperatury na wlocie i wylocie z ATEG nie ma znaczenia?
12. str. 123. Dlaczego podczas badań dynamicznych największą sprawność ATEG uzy- skano na biegu jałowym a w badaniach statycznych tej tendencji nie potwierdzono – wręcz uzyskano odwrotną sytuację – najmniejszą sprawność w tych warunkach?
13. str. 131. Rozdział 10 nosi nazwę „Podsumowanie i wnioski” a podsumowania w tym rozdziale nie ma. Autor przedstawił tylko wnioski. Dodatkowo Autor stwierdza, że na podstawie badań spełniono cel główny i udowodniono tezę pracy. Czy nie było konieczne dokonanie analizy tych wyników badań, aby stwierdzić że spełniono cel pracy. Dodatkowo przedstawione wnioski są zbyt ogólnikowe (należało zdefiniować parametry termodynamiczne). Także niektóre wnioski szczegółowe (2, 3, 6) nie wskazują na ich uszczegółowienie, gdyż nie zawierają żadnych wartości liczbowych.
14. str. 132. Kierunki dalszych badań są zadaniami technicznymi, a nie kierunkami dal- szych prac badawczo-naukowych.
3. PODSUMOWANIE
Na podstawie analizy treści stwierdzam, że oceniana praca mieści się w dyscyplinie naukowej Budowa i eksploatacja maszyn.
Tematyka dysertacji jest ważna w odniesieniu do spalinowych układów napędo- wych, a uzyskane wyniki mogą być wykorzystane w praktyce eksploatacyjnej tych ukła- dów. Równocześnie temat rozprawy jest niedostatecznie opisany w literaturze, a sam sposób rozwiązania tematu jest oryginalnym dziełem Autora i stanowi o niewątpliwej wartości pracy. Zadanie, którego podjął się Autor należy do trudnych, bowiem jego rea- lizacja wymagała zastosowania technik pomiarowych i wykonania badań na układzie
