Poznań, 21.05.2014 r.
Prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz
Instytut Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej
O C E N A
rozprawy doktorskiej mgr. inż. Krzysztofa Lwa
pt. „Opracowanie kryteriów doboru paliw do specyfiku napędów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej”
podstawa opracowania: pisma Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej z dnia 29.04.2014 r., nr DR-63/429/01/2014, do którego dołączono egzemplarz rozprawy doktorskiej.
1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ROZPRAWY
Motoryzacyjne skażenie środowiska naturalnego jest częścią globalnej problematyki ekologicznej i jest przedmiotem wielu działań współczesnego człowieka. Od półwiecza odnotowuje się wyraźne działanie legislacyjne, głównie w zakresie ograniczania emisji związków szkodliwych ze spalinami silników. Odpowiednie przepisy prawne wymuszają działania technologiczne, przy czym pierwsze zaostrzają się z upływem czasu, drugie są coraz bardziej złożone i kosztowne. Są jednak uzasadnione ciągłym wzrostem liczby użytkowanych samochodów, szybszym aniżeli przyrost ludności (według prognoz ONZ zaludnienie do 2050 r.
zwiększy się do 10 miliardów, wzrost liczby pojazdów będzie czterokrotny).
Z uwagi na nowe regulacje odnośnie dopuszczalnych wielkości emisji, a jednocześnie dążenie do ograniczenia zużycia paliwa, producenci samochodowych silników spalinowych rozważają i badają nowe rozwiązania układów spalania w aspekcie spełnienia wspomnianych wymagań i potrzeb.
W rozprawie podjęto aktualny i ważny, z praktycznego punktu widzenia, problem doboru paliw do specyfiki napędów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej czyli silników o zapłonie samoczynnym. Środkiem pozwalającym na zgłębienie zagadnienia była szczegółowa analiza właściwości różnych paliw ropopochodnych i odniesienie ich do właściwości oleju napędowego. Zainteresowanie Autora tematyką zastosowania paliw alternatywnych do napędu środków transportu należy uznać za owoc jego obserwacji naukowych, dzięki którym dostrzegł narastający na świecie problem związany z nieustannie malejącymi zasobami kopalnianych paliw silnikowych. Ciągły wzrost zapotrzebowania na
energię w transporcie wymusza sięganie po ten rodzaj paliwa, co powoduje, iż jego światowe zasoby zmniejszają się w szybkim tempie. Tak niekorzystne zjawiska wymuszają na rządach państw i innych instytucjach odpowiedzialnych za tworzenie prawa krajowego i międzynarodowego, środowiskach naukowych i przemysłowych oraz innych podmiotach (np.
producentach paliw) podjęcie odpowiednich środków technicznych zmierzających do wprowadzenia paliw alternatywnych pochodzących ze źródeł innych niż ropa naftowa.
Analiza właściwości paliw alternatywnych daje przesłanki do skierowania uwagi na paliwa pochodzenia roślinnego, a uwzględnienie polskich warunków klimatycznych wskazuje, iż logicznym rozwiązaniem może być zastosowanie paliwa alternatywnego na bazie oleju rzepakowego. Rodzaj paliwa to jeden z czynników decydujących o uzyskiwanych przez silnik wskaźnikach pracy, które są miarą możliwości wykorzystania energii zawartej w paliwie i jej przetworzenia w pracę oraz dalszego jej wykorzystania. Równie ważną kwestią jest jego oddziaływanie środowiskowe, na które kładzie się coraz większy nacisk, stosując odpowiednie normy i przepisy szczegółowe dla danych zastosowań silników i ich sposobu eksploatacji. Spełnienie aktualnych i przyszłych norm w tym zakresie jest warunkiem podstawowym możliwości zastosowania i dalszego wykorzystywania tego rodzaju paliwa w transporcie. Wśród wielu czynników decydujących o rzeczywistej emisji składników szkodliwych spalin z silnika wymienić należy ten związany z zapewnieniem odpowiedniej efektywności procesu spalania, na który zasadniczy wpływ ma jakość przygotowania mieszanki palnej. Proces rozpylenia paliwa w komorze spalania odgrywa zasadniczą rolę, stąd zapewnienie odpowiedniego jego przebiegu sprzyja poprawie sprawności ogólnej silnika, a tym samym również obniżeniu stężenia szkodliwych składników spalin. Objęcie tematyką rozprawy wspomnianych problemów naukowych świadczy o dobrym przygotowaniu merytorycznym Autora do formułowania problemu badawczego i oceny jego zakresu.
Jednocześnie, z powodu dużego nacisku wywieranego przez społeczeństwa, problem ten jest rozwiązywany przez znaczną liczbę ośrodków naukowych, badawczych i przemysłowych, dysponujących często ogromnymi możliwościami finansowymi. Duża liczba publikacji ukazujących się na całym świecie wskazuje na ogromną konkurencję w tym obszarze nauki i techniki. Podjęta zatem przez Autora próba usystematyzowania stanu wiedzy i zaproponowania własnych rozwiązań jest przejawem dużej odwagi, dowodzi dobrego rozeznania i przygotowania w omawianej problematyce.
Jedną z podstawowych trudności jest ogólnikowość ukazujących się publikacji podyktowana względami komercyjnymi. Stąd mimo dużej ich liczby obiektywne ustalenie stanu wiedzy jest trudne.
Przedstawiona do recenzji praca obejmuje 142 strony tekstu zasadniczego podzielonego na 10 rozdziałów. Spis źródeł literaturowych zawiera 115 pozycji. Praca zawiera
„Streszczenie” w języku polskim i angielskim oraz „Wykaz ważniejszych skrótów, oznaczeń i akronimów”. Do pracy dołączono 2 załączniki o objętości 20 stron (łącznie 162 strony). Praca cechuje się dobrym poziomem edytorskim, jest napisana poprawnym językiem, jednak nie zawsze precyzyjnym. Autor rozprawy nie ustrzegł się błędów stylistycznych i gramatycznych.
Układ pracy nie budzi istotnych zastrzeżeń. Materiały graficzne w pracy są staranne i czytelne, terminologia użyta w większości poprawnie.
2. OCENA ROZPRAWY
Praca dotyczy opracowania kryteriów doboru paliw do specyfiki napędów wykorzystywanych w środkach transportu. Początkowy rozdział wprowadza w tematykę dotyczącą możliwości zastosowania paliw alternatywnych do napędu pojazdów. Kolejny rozdział przedstawia źródła napędu i paliwa mające zastosowanie w tych układach. Autor dość odważnie stawia tezy, że współczesne silniki pojazdów komunikacji miejskiej zasilane
być dokładnie zweryfikowane przed ich zamieszczeniem. W tym i następnym rozdziale Autor dużo uwagi poświęca charakterystyce paliw i ich właściwościom przedstawiając szerokie możliwości oceny rozpylenia paliw z wykorzystaniem metod wizyjnych. Zachodzi jednak pytanie o cel zamieszczania takich informacji, gdyż w dalszej części pracy nie są one w większości wykorzystywane.
Wymagane kryteria dotyczące paliw do spalinowych środków transportu Autor przedstawił w rozdziale czwartym. Na podstawie tak przeprowadzonego studium literatury, Autor pracy sformułował dwie tezy rozprawy, które brzmią:
„dobór paliw do specyfiki napędów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej w wystarczającym stopniu może być prowadzony w oparciu o następujące kryteria:
wymagania normatywne dla paliw, geometrię strugi rozpylonego paliwa, emisyjność i parametry operacyjne silnika”
oraz
„dobór paliw do silników o ZS, uwzględniający kryterium emisyjności, może być realizowany na podstawie ich właściwości samozapłonowych i wartości pochodnej liczby cetanowej”.
W celu oceny słuszności sformułowanej tezy Autor zaproponował badania podzielone na trzy przedstawione powyżej etapy. Ich wspólnym wyróżnikiem jest chęć opracowania kryteriów, które należy uwzględnić w celu dokonania doboru paliwa do specyfiki napędów wykorzystywanych w środkach transportu.
Pierwsza część prowadzonych prac pozwala na wyznaczenie wielu właściwości fizykochemicznych 13 analizowanych paliw. Są wśród nich ciepło spalania, wartość opałowa, opóźnienie samozapłonu oraz pochodna liczby cetanowej. Tej ostatniej wielkości Autor nie objaśnił, tak więc trudno się zorientować, co ona oznacza. Podanie w pracy wielu ekranów graficznych typowych programów komputerowych, nie wnosi istotnych treści merytorycznych pozwalających na wyjaśnienie przedmiotowych zagadnień.
Drugi etap badań dotyczący eksperymentów silnikowych prowadzono na mniejszej liczbie paliw. Dokonano wyboru tylko 7 paliw. Zachodzi zatem pytanie o cel badań podstawowych dodatkowych 6 paliw. W etapie tym dokonano pomiarów wielkości silnikowych i emisyjnych. Stężenia tlenków azotu oraz węglowodorów badano przyrządami, których nazw – a co ważniejsze parametrów – nie podano.
Trzeci etap dotyczył badań wizualizacyjnych prowadzonych na ośmiu paliwach z wykorzystaniem dwóch typów wtryskiwaczy. Dokonano analiz geometrii strugi paliwa w punktach badawczych zgodnych z badaniami silnikowymi.
Wyniki uzyskane w tych procesach badawczych skojarzono ze sobą, uzyskując zależności funkcyjne, dające podstawy do oceny właściwości paliw.
Analiza i ocena merytoryczna rozprawy
Oceniając rozprawę uważam przedstawione opracowanie za oryginalne, opierające się na przesłankach naukowych, a podjęte przez Autora badania wnoszą cenne informacje do wyjaśnienia zależności funkcyjnych związanych z wyborem różnych właściwości paliw alternatywnych podczas próby zastosowania w silnikach spalinowych różnych środków transportu.
Na uwagę zasługują następujące elementy pracy:
podjęcie tematyki dotyczącej opracowania kryteriów doboru paliw możliwych do zastosowania w napędach pojazdów komunikacji miejskiej (zgodnie z wytycznymi UE ograniczenia transportu indywidualnego w aglomeracjach miejskich),
analizę literaturową dotyczącą środków napędu wykorzystywanych w komunikacji miejskiej, metod oceny procesu rozpylania paliw, a także wymagań dla paliw do środków transportowych, co pozwoliło na wytypowanie kryteriów, dzięki którym może być prowadzony dobór paliw ukierunkowany na poprawę warunków eksploatacji pojazdów,
określenie właściwości fizykochemicznych paliw przyjętych do analizy, co pozwoliło na określenie ich przydatności odnośnie wymagań normatywnych; wyniki mogą być wykorzystane do komponowania mieszanin paliw o poszukiwanych właściwościach,
kompleksowe ujęcie badań właściwości paliw z ich badaniami wizualizacyjnymi oraz silnikowymi; wyniki takich syntetycznych i kompleksowych badań eksperymentalnych wykorzystano do określenia niezbędnych kryteriów dotyczących doboru paliw do specyfiki napędów stosowanych w środkach transportu,
przydatność opracowanych kryteriów, które mogą posłużyć w doborze paliw do wymaganej specyfiki napędów pojazdów lub być przydatne na etapie projektowania nowych systemów zasilania.
Biorąc pod uwagę wartość naukową i aplikacyjną rozprawy, uważam że:
sformułowany w pracy problem ma charakter problemu naukowego o istotnych walorach poznawczych oraz znacznych walorach aplikacyjnych. Do rozwiązania zasadniczego problemu naukowego i osiągnięcia głównego celu pracy zastosowano metodę badań empirycznych. W przeprowadzonych pomiarach wykorzystane zostały urządzenia i układy pomiarowe zgodne z obowiązującym obecnie standardem, na wysokim poziomie jakości pomiarów. Należy jednocześnie podkreślić złożoność i trudność tego problemu ze względu na krótkotrwałość i dużą zmienność występujących procesów.
Niedociągnięcia rozprawy
Zastrzeżenia, które pojawiły się podczas analizy rozprawy:
1. Liczba paliw poddanych badaniom w poszczególnych etapach pracy jest zróżnicowana.
Powoduje to, że badania te nie są całkowicie porównywalne i nie mogą stanowić podstawy do pełnej i spójnej analizy. Skutkuje to pewnymi ograniczeniami, synteza tych właściwości jest kluczowym zagadnieniem, które Autor próbuje rozwiązać.
Syntezy takiej, niestety, nie można dokonać.
2. Jeżeli ocena zero-jedynkowa paliw przedstawiona w rozdziale 9 jest do przyjęcia, to prezentowane dalej zależności dla wszystkich kryteriów przedstawione są w sposób nieprawidłowy. Przedstawianie zależności funkcyjnej dwóch wielkości np. pochodnej liczby cetanowej od opóźnienia samozapłonu w postaci wykresu liniowego, dla którego wartości rzędnych ustawione są w równych odległościach jest błędem. Wartości te są zróżnicowane i rzeczywisty przebieg tej zależności jest inny. Tak więc wyciąganie wniosków na podstawie źle skonstruowanego wykresu nie może być prawidłowe.
3. Metodyka badań nie zawiera urządzeń pozwalających na pomiary węglowodorów oraz tlenków azotu, a wyniki takie Autor zamieszcza w pracy? Poziom około 50 ppm węglowodorów z silnika o przestarzałej konstrukcji wydaje się być zbyt mały. Jakie urządzenia wykorzystano do tych badań?
4. Dlaczego Autor kryteria doboru paliw ogranicza tylko do napędów w środkach komunikacji miejskiej? Przecież takie same silniki mają zastosowanie również w
5. Czy na podstawie wyników pracy i palety 13 paliw poddanych badaniom możliwe jest określenie optymalnego paliwa do zastosowania w napędach pojazdów komunikacji miejskiej? Dlaczego Autor takiego wyboru nie dokonał? Mogłoby to stanowić równocześnie weryfikację przyjętego opracowania kryteriów doboru paliw a jednocześnie pozwoliłoby potwierdzić tezy pracy.
Uwagi szczegółowe:
W trakcie lektury pracy nasunęły się m.in. następujące uwagi i spostrzeżenia:
1. W jakim celu przedstawiono właściwości wodoru. Paliwa tego Autor nie analizuje w rozprawie? Ta sama uwaga dotyczy gazu ziemnego oraz paliwa LPG.
2. Zbyt podręcznikowo przedstawiono metody wizyjne i laserowe dotyczące oceny rozpylenia paliw. Informacji tych nie wykorzystuje się w pracy.
3. W pracy zamieszczono skróty określające smarność paliwa, których nigdzie nie wyjaśniono.
4. Przebiegi krzywych mocy i momentu obrotowego nie zawierają punktów pomiarowych, co utrudnia interpretację wykresu i nie pozwala na ocenę prawidłowości prowadzonych krzywych. Podobna uwaga dotyczy także sprawności ogólnej silnika.
5. Autor nie zamieścił rachunku niepewności pomiarowych. Brak takiej analizy nie pozwala na pełną weryfikację otrzymanych wyników w każdym z etapów badań. Brak jest też informacji o powtarzalności uzyskanych wartości. Dotyczy to szczególnie badań właściwości fizykochemicznych oraz wizualizacyjnych. Dodatkowo zamieszczone zdjęcia sugerują wykorzystanie eksploatowanego, a nie nowego wtryskiwacza, co może wpływać na uzyskane wartości zasięgu strugi.
6. W pracy nie przedstawiono metodyki oceny zasięgu i kąta strugi paliwa. Ocena zasięgu strugi paliwa bez wykorzystania przeciwciśnienia jest wielkością niemiarodajną, gdyż nie występuje w typowych warunkach pracy silnika. Z tego powodu uzyskane wartości są trudno akceptowalnym kryterium geometrii strugi paliwa.
7. W pracy występują teksty wiszące utrudniające pełną identyfikację struktury pracy.
8. Nieprawidłowości dotyczące zapisu ciekły gaz. Gaz nie może istnieć jednocześnie w dwóch stanach skupienia.
Pozostałe uwagi przekazałem w bezpośredniej rozmowie z Doktorantem, w czasie której wykazał się dużą erudycją, głęboką wiedzą oraz znacznym zaangażowaniem w tematykę związaną z badaniami właściwości paliw.
Mimo tych uwag krytycznych, niektórych dyskusyjnych, bardzo wysoko oceniam poziom merytoryczny rozprawy, ze względu na intelektualny wkład Autora oraz na zakres włożonej przez Niego pracy. Metodyka badań oraz otrzymane wnioski z badań doświadczalnych stanowią w znacznej części oryginalny wkład Autora.
Autor w rozprawie podjął się bardzo trudnego zadania, które z oczywistych względów nie wyczerpuje całości zagadnień związanych z problemami występującymi w procesie doboru paliw, głównie alternatywnych, do specyfiki napędów w środkach transportu.
Należy mieć świadomość, że rozpatrywana problematyka jest niezwykle trudna i podlega ciągłemu rozwojowi. Stąd też bezsporne pozostaje kontynuowanie prac w tym temacie. Poznanie wszelkich zjawisk i mechanizmów dotyczących wpływu właściwości paliw zastępczych na wskaźniki użytkowe jednostki napędowej i powstawanie związków toksycznych, pozwoli na rozszerzenie wiedzy o charakterze naukowym oraz wykorzystanie wyników do bezpośredniego wdrożenia w przemyśle motoryzacyjnym.
3. PODSUMOWANIE
Na podstawie analizy przedstawionej do oceny rozprawy doktorskiej stwierdzam, że:
Autor dokonał trafnego wyboru tematyki swojej pracy,
zasadnicze cele pracy zostały osiągnięte w zakresie przyjętym przez Doktoranta, bowiem uzasadnione zostały twierdzenia Autora ujęte w tezie pracy,
formalny układ pracy jest prawidłowy, a na szczególne pokreślenie zasługuje jej wartość metodyczna,
dysertacja nawiązuje do aktualnej wiedzy i praktyki, a w wielu elementach wnosi do nich nowe treści,
akumulacja należycie ustalonych faktów sprawia, że rozprawa stanowi oryginalne rozwiązanie zagadnienia naukowego.
Powyższe fakty potwierdzają kompetencje Doktoranta w zakresie samodzielnego ustalania tematyki i prowadzenia badań naukowych oraz wskazują na Jego wiedzę ogólną i umiejętności praktyczne w dyscyplinie naukowej „Transport”, w której mieszczą się zagadnienia objęte rozprawą.
W związku z tym uważam, że rozprawa mgr. inż. Krzysztofa Lwa pt.:
„Opracowanie kryteriów doboru paliw do specyfiku napędów wykorzystywanych w komunikacji miejskiej” (promotor: prof. dr hab. inż. Kazimierz Lejda) spełnia wymagania stawiane pracom promocyjnym na stopień doktora nauk technicznych, 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.
