dr hab. inż. Mirosław KOWALSKI, prof. nadzw. Warszawa 15.09.2016.
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych 01-494 Warszawa
ul. Księcia Bolesława 6.
RECENZJA ROZPRAWY DOKTORSKIEJ
(na zlecenie Rady Wydziału Maszyn i Transportu Politechniki Poznańskiej - pismo DR-63/502/01/2016 z dnia 23 sierpnia 2016 r.)
Tytuł rozprawy: IDENTYFIKACJA SYSTEMU TWORZENIA I SPALANIA MIESZANKI W UKŁADZIE DWO CH WTRYSKIWACZY Z BEZPOS REDNIM WTRYSKIEM BENZYNY
Autor rozprawy: mgr inz . Przemysław BOROWSKI
Promotor rozprawy: dr hab. inz . Ireneusz PIELECHA, prof. PP
1. Charakterystyka pracy
Podjęta problematyka rozprawy doktorskiej mgr. inż. Przemysława Borowskiego wychodzi naprzeciw współczesnym potrzebom w zakresie poznania zagadnień bezpośredniego wtrysku paliwa do komór spalania silników spalinowych. Bezpośredni wtrysk benzyny to podstawa dla jeszcze oszczędniejszych i bardziej ekologicznych generacji silników spalinowych. Rozwijane technologie wspierają aktualny trend, jakim jest downsizing. W rozprawie podjęto się rozpoznania zachodzących zjawisk, uzyskiwanych charakterystyk oraz możliwości zastosowania systemu zasilania komory spalania silnika spalinowego wtryskiem bezpośrednim przy użyciu dwóch wtryskiwaczy. Problem zastosowania dwóch wtryskiwaczy jest już znany, jednak innowacyjnym w rozprawie jest zastosowanie dwóch wtryskiwaczy bezpośrednio w komorze spalania. Tego rodzaju podejście jest nowym, nieanalizowanym i niestosowanym jeszcze rozwiązaniem.
Rozprawa ma charakter analityczno-eksperymentalny oparty o przeprowadzone analizy wyników uzyskanych podczas badań eksperymentalnych. Omówiono w niej i przedstawiono na wykresach ilościowe i jakościowe wyniki badań wtrysku i rozpylenia paliwa przy zastosowaniu dwóch wtryskiwaczy zabudowanych w komorze spalania.
Opisano sposoby przygotowania mieszanki palnej oraz uzyskiwane lokalne i globalne wielkości charakteryzujące proces rozpylania paliwa. Eksperymentalną analizę rozpylenia paliwa rozszerzono o badania symulacyjne z wykorzystaniem oprogramowania AVL Fire. Na tej podstawie określono – poza parametrami uzyskanymi podczas badań eksperymentalnych – rozkład i stężenie kropel paliwa w strudze oraz szybkości jego odparowania przy zastosowaniu
Badania procesu spalania mieszanki paliwowej uwzględniały analizę głównych parametrów termodynamicznych procesu, rozprzestrzeniania się płomienia oraz rozkładu temperatury.
Natomiast wykorzystanie systemu optycznego (do rejestracji procesów szybkozmiennych) w komorze spalania umożliwił rejestrację obrazów płomienia podczas spalania mieszanki.
Analiza intensywności świecenia płomienia pozwoliła na ocenę jego powierzchni oraz analizę temperatury płomienia.
2. Problem badawczy - cele rozprawy
Przedstawiona do recenzji rozprawa za główny problem badawczy, podaje próbę określenia: „w jaki sposób i w jakim stopniu zastosowanie nowej koncepcji wtrysku benzyny pozwala kształtować proces rozpylenia paliwa i w konsekwencji spalanie mieszanek niehomogenicznych”.
Takie sformułowanie problemu badawczego wymagało rozwiązania określonych zagadnień naukowych, z których najistotniejszym było „rozpoznanie procesów i efektów zastosowania systemu bezpośredniego wtrysku benzyny z układem dwóch wtryskiwaczy umieszczonych w komorze spalania”. Powyższe sformułowanie (nazwane jako cel naukowy) jest niczym innych jak celem utylitarnym niniejszej rozprawy i winna stanowić fundament do opracowania tezy pracy, której zabrakło w rozprawie.
Ograniczono się tylko do wspomnianego wyżej problemu badawczego, co nie jest - z formalnego punktu widzenia - najszczęśliwszym rozwiązaniem, gdyż teza pracy stanowi w zasadzie odpowiedź na problem badawczy podjęty w rozprawie, którą w procesie badawczym należy udowodnić.
W każdym razie, na potrzeby osiągnięcia celu utylitarnego określono cele cząstkowe, nazwane jako cele naukowe i cele techniczne. Wskazane cele naukowe to:
analiza procesów tworzenia mieszanki z wykorzystaniem badań eksperymentalnych oraz symulacji komputerowych,
ocena procesu spalania z analizą procesów szybkozmiennych oraz optyczną analizą obrazów, która umożliwi określenie rozwoju płomienia oraz intensywności jego świecenia,
analiza powtarzalności badań wtrysku paliwa z użyciem komory stałej objętości oraz powtarzalności spalania w maszynie pojedynczego cyklu,
badania rozkładu lokalnych wartości temperatury płomienia przy zastosowaniu różnych strategii wtrysku.
Natomiast cele techniczne opisano jako:
umieszczenie dwóch wtryskiwaczy w komorze spalania przy jednoczesnym spełnieniu warunków tworzenia mieszanki uwarstwionej,
wpływ zastosowanych parametrów i strategii wtrysku paliwa na możliwości tworzenia i zapalności mieszanki,
techniczne możliwości tworzenia mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych i ubogich z wykorzystaniem dwóch wtryskiwaczy,
optycznej analizy rozchodzenia się płomienia przy zastosowaniu różnych parametrów wtrysku za pomocą dwóch wtryskiwaczy.
Taki podział celi cząstkowych dość jasno prezentuje kierunek zrealizowanych badań eksperymentalnych oraz przeprowadzonych analiz otrzymanych wyników.
W moim przekonaniu, tytuł rozprawy, problem badawczy i cele zostały sformułowane w sposób przejrzysty i jasny. Pewnym mankamentem jest brak tezy pracy oraz brak jednoznacznego podziału prezentowanych celi na cel utylitarny, którym praktycznie jest przedstawiony główny cel naukowy rozprawy, cel badawczy, który winien uwzględniać zrealizowane badania eksperymentalne oraz cel naukowy, których efektem końcowym są opracowane charakterystyki i zachodzące zjawiska.
3. Sposób przeprowadzenia analizy źródeł i formułowania wniosków
Recenzowana rozprawa zawiera 102 pozycje literaturowe, spośród których zdecydowana większość została opublikowana w ciągu ostatniej dekady. Niemal wszystkie mają bezpośrednie odwołanie w rozprawie, pominięto tylko trzy z nich, a mianowicie [12], [15] i [42]. Zakres tematyczny należy uznać za właściwy do realizacji niniejszej rozprawy.
Należy dodatkowo podkreślić, że przegląd literaturowy oprócz pozycji krajowych zawiera wiele pozycji o zasięgu międzynarodowym. Można, zatem stwierdzić, że przeprowadzona analiza źródeł - literatury przedmiotu - jest wystarczająco obszerna.
W dodatku, sformułowane wnioski z analizy literatury przedmiotu zostały przedstawione w sposób jasny i prawidłowy, co świadczy o dużej wiedzy Autora w podjętej tematyce.
4. Rozwiązanie postawionego zadania w rozprawie
Przedstawiona do recenzji rozprawa doktorska liczy ogółem 101 stron. Składa się ze streszczenia pracy, wykazu ważniejszych skrótów i oznaczeń, siedmiu rozdziałów, spisu literatury oraz streszczenia w języku angielskim. W sumie praca zawiera 117 rysunków i 9 tabel.
Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń jest niekompletny, nie opisuje wszystkich występujących w rozprawie, jak np. M, czy też , C1, C2 z prawa Plancka zależność (4.5), skrót CNG str. 77, skrót GMP – ogólnie rozpoznawalny dla specjalistów, ale nie dla laików, których ta rozprawa może zainteresować itp. Ponadto brak jest jednostek przy opisach poszczególnych oznaczeń. Wskazanym byłoby również rozdzielenie wykazu na oznaczenia i indeksy oddzielnie, co istotnie poprawiłoby ich czytelność.
Rozdział 1 jest zarazem wstępem, w której Autor opisał celowość podjęcia tematu oraz podstawowe zagadnienia poruszone w rozprawie. W sumie rozdział ten zawarto na 4 stronach rozprawy.
W rozdziale 2 pt.: „Tworzenie mieszanki i spalanie w silnikach o zapłonie iskrowym z bezpośrednim wtryskiwaczem benzyny”, Autor przedstawił genezę bezpośredniego wtrysku benzyny, charakter tworzenia mieszanki w silniku spalinowym zasilanym benzyną, sposoby tworzenia mieszanek paliwowo-powietrznych w układzie
bezpośredniego wtrysku benzyny, analizę układów wykorzystujących już dwa wtryskiwacze oraz wnioski podsumowujące rozdział i z których wynika uzasadnienie podjęcia się tego zagadnienia. W sumie rozdział 2 zawarto na 14 stronach rozprawy.
Rozdział 3 to „Problematyka rozprawy, jej cel i zakres”, który opisano i przedstawiono na niecałych 3 stronach rozprawy. Przy czym opis poprzedzający zdefiniowany problem badawczy uważam za zbyt szeroki i w zasadzie stanowiący dalszy przegląd literatury przedmiotu w zakresie wtrysku bezpośredniego, opisanego już dość precyzyjnie w rozdziale drugim rozprawy. Ponadto, jak już wspomniano brak jest tezy pracy, czyli kwintesencji tego typu rozpraw doktorskich oraz sprecyzowanych celi objaśniających, co stanowi cel utylitarny, naukowy czy też badawczy.
W rozdziale 4 pt.: „Przyjęty sposób rozwiązywania problemu badawczego”, Autor scharakteryzował zastosowane metody badawcze, z jasnym podziałem na badania w ustalonych warunkach termodynamicznych oraz w warunkach dynamicznych. Następnie opisano przedmiot badań i obiekty badawcze, do których zaliczono wtryskiwacze, komory o stałej objętości, maszyny pojedynczego cyklu. Opisano i przedstawiono także na fotografiach wykorzystaną aparaturę badawczą. W sumie rozdział ten przedstawiono na 8 stronach rozprawy.
W rozdziale 5 pt.: „Badania bezpośredniego wtrysku paliwa w układzie dwóch wtryskiwaczy”, Autor opisał sposoby realizacji wtrysku za pomocą układu dwóch wtryskiwaczy, wpływ zastosowanej strategii wtrysku na parametry strugi, dokonano porównania różnych strategii wtrysku, opisano badania wtrysku paliwa w maszynie pojedynczego cyklu, symulacyjne badania procesu rozpylenia paliwa, gdzie zaprezentowano możliwości badawcze, metodologię prowadzonych badań oraz wyniki z tych badań symulacyjnych. Na zakończenie rozdziału dokonano oceny powtarzalności wypływu paliwa z wtryskiwaczy piezoelektrycznych typu outward-opening. W sumie rozdział ten zawarto na 30 stronach rozprawy.
Rozdział 6 pt.: „Spalanie mieszanki utworzonej za pomocą dwóch wtryskiwaczy”, zapisany na 25 stronach rozprawy przedstawia charakterystykę i zakres podjętych badań procesu spalania, badania spalania mieszanek zbliżonych do stechiometrycznych, wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanek ubogich, rozkład temperatury podczas spalania paliwa w komorze, badania spalania mieszanek bardzo ubogich tworzonych z użyciem dwóch wtryskiwaczy, gdzie zbadano, jaki jest wpływ sposobu wtrysku paliwa na spalanie mieszanki o współczynniku lamba równym 2,2 oraz 3,5. Ponadto przedstawiono badania procesu spalania mieszanek o różnych konfiguracjach wtrysku paliwa. Na koniec tego rozdziału zaprezentowano wyniki z powtarzalności badań procesu spalania w maszynie pojedynczego cyklu. Opisano tutaj problem związany z powtarzalnością badań w maszynie pojedynczego cyklu, dokonano oceny powtarzalności badań indykatorowych oraz przeprowadzono analizę powtarzalności badań optycznych procesu spalania.
Rozdział 7 pt.: „wnioski i kierunki dalszych badań” przedstawia ogólną charakterystykę osiągniętych wyników podczas przeprowadzonych badaniach, gdzie wskazano na zastosowane metody badawcze i ich możliwości. Przedstawiono tutaj także
wnioski ogólne i szczegółowe, w których m.in. stwierdzono, że zastosowanie nowej koncepcji wtrysku benzyny pozwala kształtować proces rozpylenia paliwa i w konsekwencji spalanie mieszanek niehomogenicznych, czym m.in. potwierdzono przyjęty w rozprawie główny problem badawczy. Na zakończenie przedstawiono kierunki dalszych prac, których zasadniczym celem jest szersze rozpoznanie korzyści wynikających z zastosowania zaproponowanego systemu wtrysku benzyny i są zgodne z tendencjami rozwoju systemów zasilania silników o zapłonie iskrowym. Rozdział ten zawiera 4 strony.
Ostatecznie stwierdzam, że rozwiązanie postawionego zadania zostało przeprowadzone prawidłowo przez Autora, a przyjęte założenia i metody nie budzą zastrzeżeń.
5. Oryginalność rozprawy – samodzielny dorobek Autora
Oryginalnym osiągnięciem Autora jest:
przeprowadzenie analizy możliwości zastosowania układu wyposażonego w dwa wtryskiwacze. Przy czym: przeprowadzona analiza wtrysku jest bardzo obszerna z wieloma strategiami wtrysku paliwa, natomiast analiza spalania zawiera ciekawe przykłady z uwzględnieniem spalania bardzo pożądanych mieszanek ubogich;
połączenie różnych metod badawczych wtrysku paliwa - badania eksperymentalne i badania symulacyjne. Takie ich zestawienie pozwala na uwzględnienie znacznej liczby wariantów i warunków początkowych, a jednocześnie pozwala na konstruowanie lepszych jakościowo wniosków poznawczych;
przeprowadzenie oceny powtarzalności procesu wtrysku potwierdzająca niewielkie rozrzuty w analizie wskaźników geometrycznych. Są to o tyle cenne badania, gdyż pozwalają na uzyskanie liczbowych wskaźników tej powtarzalności. Niewielka niepowtarzalność pozwala na znaczne ograniczenie liczby wykonywanych powtórzeń, co jest szczególnie istotne podczas obróbki materiału filmowego;
zaprezentowanie szerokiego spektrum badań procesu spalania. Zastosowano różne konfiguracje wtrysku paliwa z jednoczesnym podziałem na spalanie mieszanek bliskich stechiometrycznym, ubogich oraz bardzo ubogich. Badania spalania prowadzono przy szerokim zakresie zmian współczynnika nadmiaru powietrza - od wartości poniżej 1 do ponad 3. Te ostatnie są cennym materiałem badawczym, gdyż wskazują na możliwości spalania ładunku uwarstwionego o bardzo dużym nadmiarze powietrza, niewykorzystywanym w typowym silniku o zapłonie iskrowym;
próba oceny powtarzalności procesu spalania, choć wiadomym jest, że nawet w silniku ta niepowtarzalność istnieje i ma określony poziom wartości. Wykorzystanie technik pomiarowych pozwoliło na dokonanie oceny niepowtarzalności spalania, nie tylko na podstawie badań indykatorowych, ale również optycznych.
Ponadto, dość oryginalnym jest sposób przeprowadzenia analizy literatury przedmiotu, wykazująca aktualny stan wiedzy na temat podjęty w rozprawie.
6. Uwagi ogólne – słabe strony pracy
Sposób realizacji pracy nie budzi większych zastrzeżeń. Od strony merytorycznej można – co najwyżej – stwierdzić brak badań eksperymentalnych na silniku, których zasadniczym celem byłoby zweryfikowanie proponowanego systemu i ocena faktycznej przydatności zaproponowanego systemu spalania, brak oceny wpływu tego systemu na poziom emisji toksycznych składników spalin oraz nie wykorzystanie wszystkich strategii wtrysku paliwa w badaniach procesu spalania.
Ponadto, Autor nie ustrzegł się błędów natury czysto redakcyjnych, a mianowicie takich jak brak przecinków, literówki, znaki interpunkcyjne, pozostawianie na końcu wierszy pojedynczych liter tzw. „wdowy” itp. Do istotnych należy zaliczyć:
słaba czytelność opisów na zamieszczonych, niektórych rysunkach, jak np.: rys. 1.1 – nieczytelne opisy osi i krzywych na dołączonych wykresach, choć w tym przypadku rolą tych wykresów było tylko wskazanie na istotne elementy symulacji i analizy (funkcja informacyjna), a nie wskazanie konkretnych wartości i charakterystyk; rys. 2.11 – nieczytelne opisy, a przy tym w języku niemieckim (tego rodzaju wtrącenia, są dopuszczalne, ale wymagają przetłumaczenia na język, w którym jest pisana praca);
rys. 5.6, 5.8, 5.9, 5.10, 5.12, 5.13, 5.14 – mała czytelność opisów strategii wtrysku;
brak opisów osi na niektórych wykresach oraz jednostek, jak np. na rys. 2.4, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10, 2.14, 2.15, 2.16, 2.17a, 2.18;
pomyłka w numeracji tabel – dwukrotnie powtórzono numer 4.2, przez co kolejne tabele zostały błędnie oznaczone w rozdziale 4.
Stwierdzone błędy nie mają jednak istotnego wpływu na jakość pracy oraz jej stronę merytoryczną i nie umniejszają pozytywnego odbioru pracy.
7. Podsumowanie
Reasumując uważam, że opiniowana rozprawa mgr. inż. Przemysława BOROWSKIEGO pt.: „IDENTYFIKACJA SYSTEMU TWORZENIA I SPALANIA MIESZANKI W UKŁADZIE DWÓCH WTRYSKIWACZY Z BEZPOŚREDNIM WTRYSKIEM BENZYNY" spełnia wymagania stawiane rozprawom doktorskim przez Ustawę z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. 2003 Nr 65, poz. 595 z późn. zm.) i mieści się w dziedzinie budowa i eksploatacja maszyn.
W związku z tym wnioskuję o jej przyjęcie i dopuszczenie do publicznej obrony.
Ponadto, uwzględniając obszar badań zrealizowany w rozprawie przez Doktoranta, sposób ich przeprowadzenia, analizy, tworzenie modeli symulacyjnych itp. wnioskuję o jej wyróżnienie.
...
