RECENZJA Rozprawy doktorskiej Mgr. inż. PRZEMYSŁAW

Dr hab. inż. Marek BRZEŻAŃSKI, prof. PK Wydział Mechaniczny

Politechniki Krakowskiej 31- 864 KRAKÓW Al. Jana Pawła II 37

RECENZJA Rozprawy doktorskiej

Mgr. inż. PRZEMYSŁAWA BOROWSKIEGO pt.

„IDENTYFIKACJA SYSTEMU TWORZENIA I SPALANIA MIESZANKI W UKŁADZIE DWÓCH WTRYSKIWACZY

Z BEZPOŚREDNIM WTRYSKIEM BENZYNY”

Promotor: dr hab. inż. Ireneusz Pielecha, prof. Politechniki Poznańskiej

Podstawa opracowania recenzji:

Pismo Dziekana Prof. dra hab. inż. FRANCISZKA TOMASZEWSKIEGO o decyzji RADY WYDZIAŁU MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ z dnia 23.08.2016 r., do którego dołączono egzemplarz rozprawy doktorskiej.

WYBÓR TEMATYKI ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

Pan mgr inż. Przemysław Borowski w swej rozprawie doktorskiej podjął się rozwiązania trudnego i ważnego zagadnienia związanego z opracowaniem i weryfikacją doświadczalną nowego systemu zasilania silnika spalinowego. Podjęta tematyka nie jest wprawdzie nowa, ale liczne ośrodki naukowo-badawcze i przemysłowe nadal prowadzą badania podobnego typu, często stosując nowe, zaawansowane technicznie systemy i przeznaczają na tego typu cele znaczne środki finansowe. Z naukowego punktu widzenia jest to stale aktualny problem badawczy, którego rozwiązanie ma duży wpływ na zużycie energii w transporcie oraz zmniejszenie emisji toksycznych składników spalin do środowiska.

Na szczególną uwagę zasługuje tu podjęcie się przez Autora pracy naukowej dotyczącej zagadnień z zakresu badań podstawowych, co w dyscyplinie związanej z rozwojem maszyn cieplnych stanowi obecnie rzadkość, a wykonana praca, jako jedna z nielicznych rozpraw doktorskich, realizowanych w ostatnich latach w obszarze wiedzy związanej z techniką silników spalinowych, nie ma wyłącznie charakteru badań aplikacyjnych. Zasługuje to na duże uznanie, zwłaszcza, że poruszane zagadnienia naukowe wymagały gruntownej wiedzy z zakresu fizyki, matematyki, chemii, i innych obszarów nauk podstawowych.

Podjęta przez Autora rozprawy próba teoretycznej i doświadczalnej oceny nowego

systemu zasilania silnika, mimo, że zakres pracy obejmuje tylko etap podstawowych badań

teoretycznych i doświadczalnych, jest bardzo istotnym krokiem w kierunku pogłębiania

wiedzy na ten temat. Wagę problemu podkreśla również duża liczba współczesnych

publikacji naukowych w tym obszarze badań, co dowodzi istnienia zapotrzebowania na

wiedzę tego typu. Mając to na uwadze należy uznać, że tematyka podjęta przez Autora pracy

jest w pełni uzasadniona pod względem poznawczym, a na płynące z niej wnioski istnieje

obecnie zapotrzebowanie również w obszarze praktyki technicznej.

TYTUŁ I UKŁAD TREŚCI ROZPRAWY

Tytuł rozprawy: „Identyfikacja systemu tworzenia i spalania mieszanki w układzie dwóch wtryskiwaczy z bezpośrednim wtryskiem benzyny” jest zrozumiały dla specjalistów z dziedziny silników spalinowych i oddaje jej treść. Ze względu na użyty styl może on natomiast stanowić problem dla czytelników reprezentujących inne specjalności. Dyskusyjne jest użycie zwrotu „w układzie dwóch wtryskiwaczy”, użytego także w tytule rozdz. 5, podczas gdy w tytule rozdz. 6 użyto bardziej zrozumiałej formy „za pomocą dwóch wtryskiwaczy”. W związku z tym uważam, że bardziej przystępny byłby tu np. tytuł:

„Identyfikacja systemu tworzenia i spalania mieszanki z zastosowaniem bezpośredniego wtrysku benzyny i dwóch wtryskiwaczy ”

Cała rozprawa doktorska została przedstawiona łącznie na 101 stronach maszynopisu wraz z wzorami, rysunkami, fotografiami, tabelami oraz załącznikami. Zasadnicza treść rozprawy licząca ok. 90 stron, wraz z literaturą obejmującą 102 pozycje, jest zawarta logicznie w siedmiu rozdziałach. Na pozostałych stronach podano wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń, a także streszczenie w języku polskim i angielskim.

Styl rozprawy jest poprawny, stosowana terminologia nie budzi zastrzeżeń, a treść pracy jest dobrze zilustrowana rysunkami. Praca nawiązuje do aktualnych pozycji literatury, głównie krajowej i europejskiej pochodzącej z ostatnich kilku lat.

Na podkreślenie zasługuje tu bardzo duża staranność w wykonaniu rysunków umieszczonych w pracy, zarówno w zakresie użytych metod graficznych, jak i opisów.

Kolejność poszczególnych rozdziałów można uznać za prawidłową, a dobór ich treści wskazuje na znajomość oraz stosowanie przez Autora wiedzy z zakresu metodyki i planowania badań naukowych, które z pewnością miały znaczący wpływ na układ rozprawy.

Część pracy poświęcona istniejącej wiedzy związanej z postawionym problemem badawczym zajmuje 18 stron, tj. ok. 20% zasadniczej treści rozprawy. Przedstawiono w nim dotychczasowe dokonania w zakresie najnowszych systemów zasilania, przeprowadzając jednocześnie wnikliwą analizę zachodzących przy tym zjawisk fizycznych. W tym rozdziale wskazano obszary, które wymagają dalszych badań naukowych oraz wnioski uzasadniające podjęcie tematu rozprawy. W oddzielnym rozdziale sformułowano naukowy cel badawczy oraz zakres pracy. Określono zakres analizowanego problemu badawczego oraz zidentyfikowano naukowy cel prowadzonych badań i analiz. Całość analizowanych zagadnień ujęto w formie diagramu, narzucającego poszczególne etapy prac naukowych i stanowiącego podstawę przyjętej metodyki badań. W rozdz. 4 zaprezentowano warsztat badawczy oraz szczegółowy plan rozwiązania postawionego problemu badawczego.

Rozdziały 5 i 6, będące zasadniczą częścią rozprawy zawierają wnikliwe sprawozdanie z realizacji badań naukowych dotyczących wyjaśnienia zjawisk fizycznych związanych z tworzeniem mieszanki paliwowo-powietrznej z zastosowaniem do tego celu dwóch wtryskiwaczy oraz przedstawienie zjawisk związanych z jej spalaniem. Pewne zastrzeżenia budzi tytuł rozdz. 5, a szczególnie sformułowanie „w układzie dwóch wtryskiwaczy”, o czym wspominano już podczas omawiania tytułu całej rozprawy. Podobna uwaga dotyczy tytułu podrozdziału 5.5.2., który zawiera metodykę prowadzonych badań symulacyjnych, a nie naukę o metodach badawczych, na co mogłoby wskazywać użyte w tytule słowo

„Metodologia”.

W rozdziale siódmym umieszczono ostateczną interpretację otrzymanych wyników

badań symulacyjnych i doświadczalnych i zawarto podstawowe wnioski płynące z

przeprowadzonych prac. Wskazano także kierunek dalszych badań, które mogą stanowić

kontynuację prac przedstawionych w rozprawie.

TEZA, CEL, ZAKRES ORAZ SPOSÓB REALIZACJI PRACY

Postawiony przez Autora naukowy problem badawczy, sprowadza się do odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób i w jakim stopniu zastosowanie nowej koncepcji bezpośredniego wtrysku benzyny z zastosowaniem dwóch wtryskiwaczy umożliwi kształtowanie procesu rozpylenia paliwa. Zostało przy tym postawione założenie, że otrzymana w ten sposób mieszanka będzie mieć strukturę niejednorodną, w związku z tym pojawiło się drugie pytanie o przebieg spalania tego typu mieszanki.

W związku z tym, naukowym celem rozprawy było rozpoznanie procesów i efektów zastosowania systemu bezpośredniego wtrysku benzyny z zastosowaniem dwóch wtryskiwaczy umieszczonych w komorze spalania.

Zakres prac przewidzianych w rozprawie w dużej części dotyczy badań podstawowych dotyczących rozpylenia paliwa z dwóch wtryskiwaczy, jego odparowania, mieszania z powietrzem i innych problemów związanych z tworzeniem mieszaniny palnej.

Zakres obejmował także drugi etap, którym była analiza przebiegu procesu spalania tego typu mieszanki paliwowo-powietrznej.

Oba te główne zadania zostały wykonane z zastosowaniem przemyślanego warsztatu badawczego obejmującego zarówno technikę modelowania zjawisk fizycznych, jak i część eksperymentalną, której zakres obejmował głównie badania podstawowe. Świadczy o tym wykorzystanie takich narzędzi badawczych, jak: nowoczesne metody badań optycznych, maszyna pojedynczego cyklu lub też komora o stałej objętości. W dyscyplinie związanej z rozwojem maszyn cieplnych takie podejście stanowi obecnie rzadkość, ponieważ większość rozpraw doktorskich, realizowanych w ostatnich latach w obszarze wiedzy związanej z techniką silników spalinowych realizuje zwykle konkretny cel utylitarny, a prowadzone badania mają charakter badań aplikacyjnych. W tym zakresie przyjęty przez Autora rozprawy sposób rozwiązania problemu naukowego jest wyjątkowy i świadczy o dojrzałości badawczej.

W celu ułatwienia zrozumienia sposobu, w jaki Autor zaplanował realizację badań naukowych, w pracy zamieszczono diagram wyjaśniający schemat postępowania podczas realizacji głównych celów pracy.

Wymienione składniki stanowią spójną procedurę zgodną z metodycznymi podstawami prowadzenia badań naukowych.

OCENA MERYTORYCZNA ROZPRAWY

Przedstawiona rozprawa jest bardzo wartościowa merytorycznie, ze względu na poruszone ważne zagadnienia z zakresu podstaw teorii maszyn cieplnych. Są to szczegółowe zagadnienia dotyczące teorii silników spalinowych, związane z podstawami teoretycznymi procesu tworzenia mieszanki, jak i z zakresu procesów zachodzących w komorze spalania silnika. W realizacji postawionego zadania Autor poruszył dwa duże i złożone problemy poznawcze, z których pierwszy dotyczy rozpoznania mechaniki tworzenia mieszanki i kinematyki ruchu ładunku, a drugi procesu rozwoju reakcji spalania. Należy tu podkreślić, że oba badane procesy zachodzą równocześnie w bardzo krótkim czasie, rzędu kilku do kilkudziesięciu milisekund i w przypadku wtrysku bezpośredniego odbywają się w zamkniętej przestrzeni roboczej silnika, co dodatkowo komplikuje ich badanie i analizę.

Niezbędna jest tu znajomość wiedzy podstawowej z zakresu fizyki klasycznej,

termodynamiki, hydromechaniki oraz umiejętność posługiwania się nowoczesnymi

narzędziami inżynierskimi, takimi jak wyspecjalizowane programy komputerowe oraz

specjalistyczna, bardzo złożona aparatura badawcza. Ponadto Autor wykazał się znajomością

współczesnych technik symulacyjnych, która to wiedza była niezbędna do realizacji

postawionych celów naukowych. Uzupełnieniem niezbędnych kompetencji Autora rozprawy była także znajomość podstaw metodyki badań naukowych, co niewątpliwie przyczyniło się do skrócenia cyklu badań doświadczalnych oraz umożliwiło wyciągnięcie prawidłowych wniosków.

Praca ma wprawdzie charakter badań podstawowych, ale Doktorant w sposób pośredni założył sobie również cel utylitarny, którym jest znalezienie takich związków przyczynowo- skutkowych, które mogłyby być wykorzystane do sterowania przebiegiem procesu tworzenia mieszanki w kontekście optymalnego przebiegu procesu spalania. Są to bardzo ważne zależności, których prawidłowe rozpoznanie ma bezpośrednie przełożenie na sprawność przetwarzania energii w silniku spalinowym oraz na zagadnienia związane z emisją toksycznych składników spalin.

Dużą, merytoryczną wartością pracy składającą się na dorobek Autora rozprawy jest przeprowadzenie naukowej analizy związków istniejących pomiędzy sposobem zasilania silnika a ruchem ładunku i procesami zachodzącymi w przestrzeni roboczej podczas tworzenia mieszanki palnej. Ta część pracy, zawarta w rozdz. 5, została przeprowadzona z zastosowaniem nowoczesnych metod optycznych, ponieważ tylko tego typu badania umożliwiają pełne porównanie różnych strategii wtrysku paliwa, czy też szczegółowy opis parametrów wtryskiwanej strugi paliwa. Uzupełnienie tych badań stanowiły prace symulacyjne prowadzone z użyciem specjalistycznych, renomowanych programów komputerowych, do których należy np. oprogramowanie FIRE z firmy AVL.

Drugim obszarem dokonań Autora rozprawy, mającym dużą wartość merytoryczną, były badania procesu spalania mieszanki, stworzonej poprzez wtrysk paliwa z dwóch wtryskiwaczy. W tym wypadku proces spalania, w którym następuje zamiana energii chemicznej paliwa na energię cieplną jest najważniejszym etapem przemian energetycznych w silniku spalinowym. Jakość tego procesu decyduje zarówno o parametrach roboczych silnika, jak i składzie chemicznym wydalanych spalin.

Badania procesu spalania Autor podzielił na etapy w zależności od sposobu tworzenia mieszanki oraz od wartości współczynnika nadmiaru powietrza. Z tego względu analizy spalania przedstawiono w oparciu o proces niepodzielonej dawki uzyskanej z jednego wtryskiwacza oraz z podziałem na dwie części (dwa wtryskiwacze) lub z wtryskiem sekwencyjnym podzielonym na trzy części (oba wtryskiwacze). W ten sposób został stworzony plan prowadzonych badań w zależności od możliwości tworzenia ładunku o określonej wartości współczynnika nadmiaru powietrza. Uzyskano w ten sposób bardzo interesujące wyniki badań, a poruszony w pracy problem badawczy w wielu aspektach może przyczynić się do poprawy różnych parametrów i wskaźników silnika i jest bardzo ważny dla rozwoju prezentowanej dyscypliny naukowej.

Ponieważ eksperymentalne badania wtrysku paliwa mają istotne ograniczenia wynikające z metod badawczych, dużą część pracy stanowią badania modelowe, których celem było uzasadnienie przez Autora podjęcia badań zaproponowanej koncepcji i wyznaczenie granicy jej stosowania. Badania modelowe umożliwiają rozszerzenie analizy eksperymentalnej wtrysku i rozpylenia paliwa o informacje dotyczące: średniej średnicy kropel paliwa, jego koncentracji w strudze, masy odparowanego paliwa oraz energii kinetycznej strugi.

Znajomość tych wartości umożliwiła uzupełnienie wiedzy eksperymentalnej nie tylko o wartości ilościowe, ale także jakościowe. W tej części pracy Doktorant wykazał się znajomością specjalistycznych programów do symulacji procesów silnikowych, takich jak np.

program FIRE firmy AVL, do rozwiązania złożonych procesów przepływowych i

termodynamicznych. Przeprowadzono wnikliwą analizę wyników tych prac i sporządzono

cały szereg rysunków animacyjnych, ułatwiających ich interpretację.

Opanowanie tej wiedzy i umiejętność jej świadomego używania w pracach modelowych i badawczych świadczy o dojrzałości naukowej Doktoranta. W dziedzinie budowy maszyn wymienione metody można zaliczyć do grupy niestandardowych technik prowadzenia badań naukowych. Realizacja poszczególnych etapów realizacji pracy dowodzi, że zaproponowana przez Doktoranta procedura postępowania przy rozwiązaniu postawionego celu badawczego została oparta o zasady zgodne z metodycznymi podstawami prowadzenia badań naukowych

Uważam, że największa wartość prac badawczych, przedstawionych w recenzowanej rozprawie dotyczy:

 Podjęcia próby stworzenia nowej koncepcji tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej,

 stworzenia nowego systemu spalania, którego przebieg w ograniczonym zakresie może podlegać kontroli, zarówno w zakresie kinetyki procesu, jak i szybkości wydzielania ciepła,

 opracowania koncepcji różnych strategii tworzenia mieszanki za pomocą wtrysku paliwa dwoma wtryskiwaczami,

 wykonania badań symulacyjnych, które w dużym stopniu są zbieżne z wynikami badań eksperymentalnych,

 przeprowadzenie badań zasięgu strugi i wykonanie analiz rozpylenia, odparowania ładunku i energii kinetycznej strugi oraz analizy struktury mieszanki otrzymanej przy różnym czasie wtrysku i różnym ciśnieniu paliwa i różnej konfiguracji strumieni wtryskiwanego paliwa z dwóch wtryskiwaczy,

 przeprowadzenie badań rozpylenia paliwa przy stałych i zmiennych warunkach przeciwciśnienia,

 wykonanie badania przebiegu procesu spalania mieszanki otrzymanej według własnej koncepcji w maszynie pojedynczego cyklu.

Jak już podkreślono we wstępie recenzji, w rozprawie poruszono wiele zagadnień dotyczących wiedzy podstawowej, co wymagało od Autora gruntownej znajomości zagadnień z szerokiego obszaru nauk podstawowych. Do wyjaśnienia postawionej tezy i realizacji programu badań użyto nowoczesnego aparatu badawczego, wymagającego dobrego przygotowania inżynierskiego i naukowego z zakresu wielu dyscyplin naukowych, jak również połączenia wielu metod badawczych o zakresie interdyscyplinarnym.

Standardowe badania procesów szybkozmiennych jak np. indykowanie, są obecnie niewystarczające do rozpoznania wszystkich zjawisk związanych z procesem spalania. Pełna analiza tego procesu oraz procesu wtrysku paliwa i ich identyfikacja wymagają nowoczesnych procedur badawczych, do których należy m.in. analiza optyczna.

Wykorzystanie tego typu techniki pomiarowej pozwoliło Autorowi na przedstawienie (poza typowymi wielkościami) również umownego obszaru strugi paliwa podczas wtrysku i rozpylenia, analizę rozkładu temperatury płomienia oraz analizę obszaru płomienia.

Wszystkie wymienione powyżej elementy rozprawy doktorskiej mgra inż. Przemysława Borowskiego stanowią o jej dużej wartości merytorycznej, a na podkreślenie zasługuje wnikliwa analiza teoretyczna opisywanych zjawisk na poziomie badań podstawowych oraz pionierski oraz interdyscyplinarny charakter prowadzonych badań modelowych i eksperymentalnych. Z tych względów przedstawioną rozprawę należy uznać za oryginalny dorobek naukowy Doktoranta, stanowiący wkład w dziedzinę nauki dotyczącej podstaw teoretycznych i badania procesów cieplnych zachodzących w maszynach cieplnych.

Analizując treść rozprawy nasuwają się pewne uwagi i pytania, które jednak w żaden sposób

nie umniejszają jej pozytywnej wartości merytorycznej. Przykładami mogą być:

 Opracowana koncepcja systemu zasilania z dwoma wtryskiwaczami jest bardzo interesująca teoretycznie, przy czym należałoby rozważyć, czy w zastosowaniu aplikacyjnym poniesione nakłady i złożoność systemu, przyniosą spodziewane efekty utylitarne w postaci większego wydzielania energii i korzystniejszego składu chemicznego spalin, w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych,

 Pewnym niedostatkiem opracowania wyników jest brak stworzenia formuły, która umożliwiałaby bezpośrednie porównanie wyników prac modelowych i doświadczalnych opracowanej koncepcji systemu zasilania z standardowymi systemami zasilania współczesnych silników,

 Opracowany system zasilania może być bardzo trudny do adaptacji w komorze spalania rzeczywistego silnika,

 W rozprawie wykonano badania symulacyjne procesu tworzenia mieszanki, natomiast zabrakło badań symulacyjnych procesu spalania, które byłyby cennym uzupełnieniem pracy,

 Zaproponowana koncepcja tworzenia mieszanki została zbadana w ustalonych warunkach termodynamicznych. W przypadku próby jej zastosowania w systemie spalania silnika spalinowego wydaje się, że może być ona być bardzo wrażliwa na zmianę obciążenia i prędkości obrotowej silnika, szczególnie w przypadku, gdy zmiany te zachodzą z dużą prędkością.

W pracy zauważono ponadto nieliczne usterki o charakterze redakcyjnym lub drobne usterki o charakterze pomyłek literowych, które wynikały prawdopodobnie z przeoczenia Autora i które nie mają wpływu na wysoką ocenę merytoryczną rozprawy.

WNIOSKI KOŃCOWE

Recenzowana praca doktorska autorstwa mgr. inż. Przemysława Borowskiego dotyczy aktualnego problemu badawczego związanego z procesem tworzenia mieszanki paliwowo- powietrznej. Opracowana koncepcja, może znaleźć zastosowanie w tłokowych silnikach spalinowym. W omawianej dziedzinie praca zawiera istotne wartości naukowe związane z ważnym problemem dotyczącym podstawowych badań zmierzających do poprawy sprawności maszyn cieplnych, a uzyskane wyniki rozważań i badań mają dużą wartość także dla praktyki technicznej. Stanowi to oryginalny dorobek naukowy Doktoranta.

Doktorant ponadto udowodnił, że jest dojrzałym naukowcem, a poziom merytoryczny przedstawionej rozprawy kwalifikuje ją do wyróżnienia.

Uważam, że recenzowana praca doktorska pt.:

„Identyfikacja systemu tworzenia i spalania mieszanki w układzie dwóch wtryskiwaczy z bezpośrednim wtryskiem benzyny”,

której autorem jest Pan mgr inż. Przemysław Borowski spełnia warunki stawiane dysertacjom doktorskim zgodnie z wymaganiami obowiązującej w tym zakresie „Ustawy o stopniach i tytule naukowym” (Ustawa z dnia 14 marca 2003 r.).

Rozprawa ta może być dopuszczona do publicznej obrony i stanowić podstawę do nadania mgr. inż. Przemysławowi Borowskiemu stopnia naukowego doktora nauk technicznych.

Kraków, dnia 12. 09. 2016 r.