Dr hab. inż. Andrzej PIĘTAK

Dr hab. inż. Andrzej PIĘTAK, prof. UWM Olsztyn, 10.11.2013 r.

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski Katedra Mechatroniki WNT

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 DR- 63/415/01/2013, 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

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 CO 2 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:

 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

eco-drivingu – mogących przyczynić się w dużym stopniu do zmniejszenia zużycia paliwa przez pojazd oraz emisji substancji szkodliwych, w tym głównie NO X , PM i C0 2 .

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 (I agr ). 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:

 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.

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

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.

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.

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.