Instytut Silników Spalinowych i Transportu Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Politechnika Poznańska
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr. inż. Jacka Wawrzyniaka
pt. „Niejednorodność spalania gazów w wielocylindrowym silniku gazowym jako czynnik wpływający na zużycie paliwa i emisję związków toksycznych”
(promotor: prof. dr hab. inż. Tomasz Dobski) Podstawa opracowania:
Zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej
Nr DR-63/402/02/2013 z dnia 04.09.2013 r.
1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ROZPRAWY
Współczesny rozwój silników spalinowych wiąże się z koniecznością uwzględniania często sprzecznych wymagań dotyczących ochrony środowiska (np. przez ograniczenie emisji szkodliwych składników spalin i zmniejszenie zużycia paliwa) oraz dążeniem do uzyskiwania maksymalnych wskaźników pracy silnika spalinowego.
Doskonalenie technologii wytwarzania oraz eksploatacji jednostek napędowych pozwala na zwiększenie obciążeń mechanicznych i cieplnych, a stosowanie downsizingu wpływa na poprawę ich wskaźników energetycznych.
Silniki spalinowe wykorzystywane jako stacjonarne jednostki napędowe niezbyt często są konstrukcjami nowoczesnymi. W specyficznych przypadkach są one zasilane nie tylko paliwami ciekłymi lecz również gazowymi. Eksploatacja takich silników wymaga znacznego nakładu środków i nie zawsze prowadzi do ograniczenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Pożądane są więc działania zmierzające do doskonalenia konstrukcji silników spalinowych skierowane na zwiększenie kultury eksploatacji i ograniczenie ich wpływu na środowisko. Rezultaty tych działań w znacznym stopniu zależą od konstrukcji systemu spalania, który jest podstawowym wyznacznikiem jakości opracowanej konstrukcji.
Doktorant, mgr inż. Jacek Wawrzyniak podjął w pracy właśnie taki temat, stawiając sobie za jej cel, określenie wpływu zmian konstrukcji systemu spalania silników pracujących
w tłoczni gazu ziemnego na warunki ich pracy, zużycie paliwa (gazu paliwowego) i emisję związków szkodliwych.
Rozprawa liczy 134 strony tekstu obejmującego 4 rozdziały, wykaz symboli i oznaczeń oraz Wnioski spis literatury zawierający 62 pozycje.
We Wstępie Doktorant przedstawia obszar tematyczny opisując krótko znaczenie przemysłu gazowniczego oraz procesy wymuszające konieczność badań cech konstrukcyjnych i ekologicznych silników przemysłowych zasilanych gazem. Jednocześnie Autor stwierdza, że parametry zasilania paliwem wynikające ze zmiennych warunków pracy instalacji odazotowania, powodują trudności eksploatacyjne silników gazowych.
Rozdział 1 to przedstawienie zadań badawczych oraz celu i zakresu rozprawy. Na podstawie analizy pracy silników Autor stwierdził, że specyficzne warunki ich pracy wymuszają konieczność poszukiwania możliwości poprawy organizacji procesu spalania. Tak więc głównym celem rozprawy była ocena procesu spalania i jego skutków (głównie ekologicznych) z wykorzystaniem narzędzi usprawniających ten proces.
W rozdziale drugim dysertacji kompetentnie i wyczerpująco przedstawiono procesy spalania w silnikach zasilanych gazem. Analizę oparto głównie na konstrukcjach silników wykorzystywanych w warunkach Tłoczni Gazu w Odolanowie. W rozdziale tym dokonano przeglądu termodynamicznych warunków spalania paliwa gazowego ze szczególnym uwzględnieniem specyfiki pracy silnika dwusuwowego. Niestety informacji tych Autor nie wykorzystał w części badawczej, co powoduje, że ich znaczenie dla pracy nie jest zbyt duże.
Kolejną częścią tego rozdziału mającą znacznie większy oddźwięk w pracy jest analiza procesów szybkozmiennych (w tym przypadku spalania) i związane z tym główne zagadnienia pracy. Zamierzeniem Autora była ocena warunków pracy silników spalinowych zasilanych gazem w oparciu o analizę zmian ciśnienia w cylindrze i związaną z tym – nierównomierność pracy silnika.
Rozdział trzeci poświęcono analizie pracy silnika, który stanowił główny obiekt badawczy. Dokonano oceny konstrukcji specyficznego układu korbowo-tłokowego w aspekcie kinematyki pracy, a także przedstawiono analizę układów regulacji takiego silnika.
W rozdziale tym zawarto metodykę badań, w której Autor przedstawił sposób prowadzenia oraz metodę pomiarów. Dokonano wyboru punktów badawczych, które wynikały z największych udziałów czasu pracy silnika.
Rozdział 4, stanowiący największą część rozprawy, to wyniki badań pozwalające na realizację postawionego wcześniej celu pracy. Prowadzone badania podzielono na pięć etapów.
Pierwszy z nich dotyczył analizy bieżącego stanu technicznego silnika spalinowego.
Dokonano badań procesów szybkozmiennych oraz analiz ekologicznych silnika. Stwierdzono wiele nieprawidłowości w eksploatacji tych jednostek napędowych.
Drugim etapem badań wykonanym po modernizacji silnika jest ocena jakości tej modernizacji. Przedstawiono tu wyniki analiz warunków pracy silnika z jednoczesnym dość szerokim aparatem oceny wykresu indykatorowego i pomiarem stężenia składników spalin.
Trzeci etap prac badawczych ukierunkowany był na poprawę procesu dostarczania paliwa za pomocą zaworów wtryskowych gazu paliwowego. Dokonano analiz działania tych układów wskazując na zalety ich wykorzystania. Przedstawiono korzystne zmiany pracy silnika w wyniku zastosowania zaproponowanego rozwiązania. Poparto je przedstawieniem parametrów pracy oraz wykresami grzebieniowymi przebiegu ciśnienia w cylindrze.
Czwarty etap prac polegał na zmianie organizacji systemu spalania przez zastosowanie komory wstępnej. Wykazano wymierne korzyści w postaci zużycia gazu i ograniczenia stężenia tlenków azotu w odniesieniu do mechanicznego wtrysku gazu.
Zastosowaniu zwiększonego ciśnienia doładowania oraz zmiana kąta wtrysku paliwa to tematyka prac piątego etapu. Przedstawiono zakres zmian w układzie zasilania silnika spalinowego. Etap ten podsumowano analizą wykresu indykatorowego oraz warunków pracy silnika.
W podsumowaniu pięciu etapów badań zestawiono korzyści wynikające z kolejnych modyfikacji silnika. Powyższy punkt pracy jest bardzo cenny, gdyż zebrano w nim efekty prowadzonych prac badawczych.
W zakończeniu przedstawiono podsumowanie rozprawy, zestawiono wynikające z niej liczne wnioski oraz wskazano na osiągnięcie celu rozprawy. Wnioski odnoszą się głównie do możliwości modernizacji silników zasilanych gazem, gdzie Autor zwraca uwagę na częściowy brak kultury technicznej podczas obsługi takich jednostek. Sformułowane wnioski mają charakter aplikacyjny i mogą być wykorzystane w dalszych pracach związanych z modernizacją jednostek przetłaczania gazu.
2. OCENA ROZPRAWY
2.1. Uwagi ogólne
Pod względem merytorycznym i metodycznym pracę oceniam wysoko, gdyż ogólnie odpowiada postawionemu celowi, sformułowanym zadaniom badawczym i jest dostosowana do obowiązujących w tym zakresie wymogów. Układ logiczny treści rozprawy jest
przejrzysty, a prezentowane treści są ze sobą dobrze powiązane z konsekwentnie przestrzeganym układem rozpatrywanych zagadnień. Pewnym ograniczeniem rozprawy jest brak powiązania między niektórymi treściami zawartymi w początkowych rozdziałach dotyczących analizy pracy silnika z wynikami badań, co powoduje, że warstwa interpretacyjna wyników badań jest dość mała. Brak powiązania dotyczy głównie analiz teoretycznych dotyczących termodynamiki pracy silnika z uzyskanymi wykresami indykatorowymi.
Autor dokonał szerokiej prezentacji wyników swych rozważań, opisał przeprowadzane badania oraz umiejętnie nadał ich wynikom charakter danych przydatnych dla praktyki eksploatacyjnej silników spalinowych wykorzystywanych w tłoczniach gazu.
Wnioski z przeprowadzonych analiz i badań na obiektach rzeczywistych są sformułowane trafnie i adekwatnie do ich zakresu i charakteru. Całość pracy cechuje staranna jej redakcja i poprawny styl pisarstwa. W zakresie omawianych zagadnień występują silne akcenty praktyczne wywodzące się z dobrego rozeznania Autora w zakresie rozpatrywanej problematyki.
Najważniejsze osiągnięcia pracy:
1. Sformułowanie ciekawego, wynikającego z praktycznego zastosowania problemu dotyczącego oceny warunków pracy silników przemysłowych zasilanych gazem.
2. Przyjęcie za cel rozprawy poprawę warunków pracy silników, których warunki eksploatacji (praca ciągła) nie pozwalają na wykonanie typowych badań laboratoryjnych.
3. Zaimplementowanie na silnikach gazowych nowoczesnych rozwiązań (m.in. w postaci zmiany komory spalania) pozwalających na ograniczenie zużycia gazu paliwowego, co zwiększa korzyści ekonomiczne w skali długoterminowej.
4. Staranne i przejrzyste wykonanie pracy. Poprawny język techniczny i konsekwencja w stosowanej 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. Autor zawarł w rozprawie opis warunków poprawiających możliwości spalania gazu jednak nie zdefiniowano w pracy zagadnienia dotyczącego „niejednorodności spalania”
(które to określenia zawarto w tytule pracy). Autor nie bada tej niejednorodności, a także nie formułuje wniosków z tym zagadnieniem związanym. Nie jest pewne czy
stwierdzenie to miało oznaczać badania samego procesu spalania czy tylko efektów tego procesu? Co Autor rozumie pod tą terminologią?
2. Autor mówiąc o niejednorodności posługuje się często terminologią zastępczą używając określeń typu duża różnica w obciążeniu stron silnika, duże różnice wartości ciśnienia spalania między wartością średnią dla danego bloku cylindrów a poszczególnymi cylindrami, duża niejednorodność pomiędzy cyklami oraz duża nierównomierność maksymalnych ciśnień spalania. Opisy jakościowe tego zjawiska nie wnoszą zbyt wiele i nie pozwalają na ich porównanie z kolejno przeprowadzonymi modyfikacjami silnika przez Autora.
3. Znaczącą niedogodnością pracy jest analiza nierównomierności pracy silnika z wykorzystaniem wskaźników, które nie spełniają swojej roli. Autor próbuje wykorzystać średnią wartość maksymalnego ciśnienia spalania, odchylenie standardowe, nierównomierność prędkości obrotowej. Jednak mając wyznaczone przebiegi indykatorowe celowym byłoby wyznaczenie współczynnika zmienności średniego ciśnienia indykowanego CoV(pi). Jest to wartość odchylenia standardowego pi
podzielona przez wartość średnią ciśnienia indykowanego (pi). Niestety Autor nie dokonał pełnego przeglądu możliwości oceny nierównomierności pracy silnika spalinowego.
4. Autor wprowadza do pracy wskaźniki pracy silnika używając określonej terminologii
„…występowała dużą niestabilność pracy silnika oraz (…) niska sprawność”. Autor w całej pracy nie zdefiniował, co oznacza niestabilność pracy, a także nigdzie w pracy nie podaje sprawności silnika. Czym uzasadnione jest więc posługiwanie się tą terminologią bez podawania wartości tych wskaźników?
5. Tytuł pracy odnosi się również do emisji związków toksycznych. W pracy dokonano pomiarów stężenia tlenków azotu oraz w jednym na pięć przypadków stężenia tlenku węgla. Autor nie dokonał obliczenia emisji składników spalin. Czy przy odmiennych wartościach mocy silnika poddanego modyfikacjom celowe jest pominięcie emisji i odniesienie uwag jedynie do wartości stężeń wymienionych składników?
6. Praca zawiera wiele aspektów technicznych rozwiązań skierowanych na ograniczenie zużycia gazu przez silniki spalinowe. Jednak w puncie dotyczącym celów pracy (Podrozdział 1.2) brak jest nadrzędnego celu naukowego? Czy takiego nie ma w pracy, czy tylko nie został on jasno sprecyzowany?
7. Pierwsza część badań dotyczy przedstawienia stanu pracy silników przed modernizacją.
Etap ten zakończono remontem kapitalnym silnika po okresie 30 lat i 125. tysiącach
godzin pracy. Stwierdzono wiele nieprawidłowości, które Autor opisał na wstępie do drugiego etapu badań. Jednak zachodzi pytanie, czy nieprawidłowa eksploatacja silnika powinna być przedmiotem pracy doktorskiej. Czy brak kultury technicznej na Tłoczni Gazu powinno stanowić część rozprawy doktorskiej? Wydaje się, że III i IV etap badań są typowymi elementami rozprawy, gdyż dotyczą rozwiązania typowych zagadnień naukowych, i jako takie – w pewnym stopniu – zostały przedstawione.
8. IV etap badań dotyczy zastosowania komory wstępnej do poprawy procesu spalania gazu. Autor na str. 110 podaje, że „zapłon jest bardziej pewny i przez to bardziej powtarzalny”. Jednak czy prowadzono analizy dotyczące możliwości opuszczenia spalin z komory wstępnej? W jaki sposób następuje jej przepłukanie? Czy kolejne cykle pracy silnika nie odbywają się z duży udziałem pozostałości spalin w tej komorze, co utrudnia zapłon mieszanki?
9. Jaki był cel zamieszczenia wielu wykresów indykatorowych w postaci grzebieniowej?
Analiza nierównomierności pracy powinna zawierać zmiany prędkości obrotowej w kolejnych cyklach, zmiany lub wartości średniego ciśnienia indykowanego, a także współczynnika zmienności wyznaczonego dla średniego ciśnienia indykowanego, lub nawet dla maksymalnego ciśnienia w cylindrze. Brak takich analiz znacznie zawęża możliwości oceny nierównomierności procesu spalania gazu. Autor wyznaczając odchylenie standardowe ciśnienia maksymalnego w cylindrze nie komentuje otrzymanego wyniku i nie podejmuje próby powiązania go z nierównomiernością pracy silnika spalinowego.
2.2. Uwagi szczegółowe
Rozprawa jest starannie opracowana pod względem redakcyjnym. Zwraca uwagę ogólnie poprawny zapis jednostek miar i bardzo dobra czytelność zamieszczonych (w dużej liczbie) rysunków. Terminologia stosowana w pracy jest ogólnie poprawna i konsekwentnie przestrzegana. Zauważone nieścisłości w większości przekazałem Doktorantowi w bezpośredniej rozmowie. Poniżej przedstawiono tylko kilka głównych uwag:
1. Zamieszczone tablice (np. dotyczące zużycia gazu ziemnego, str. 8) nie mają przywołania literatury, co powoduje, że Autor nie stosuje się do zasad ochrony wartości intelektualnej.
2. S. 31. Autor podając wzór na prędkość narastania ciśnienia po zapłonie wskazuje, że wartość ta określana jest na 1 stopień obrotu wału korbowego. Natomiast w pracy podaje ten wskaźnik ciśnienia przypadający na ms? Co on wtedy oznacza i jak należy go
interpretować? Jest to tym bardziej niejednoznaczne, że przedstawione przebiegi indykatorowe zamieszczono w odniesieniu do kąta OWK, a nie do czasu.
3. S. 36. Autor wymieniając paliwa do silników gazowych pisze, o gazach skroplonych, wymieniając LNG oraz LPG. Dalej Autor pisze, że paliwa te można łatwo skraplać w temperaturze otoczenia i przy ciśnieniu kilku atmosfer. Czy LNG na pewno powinno znaleźć się w tym punkcie? Jakie są warunki uzyskania LNG?
4. S. 62 i dalsze. Czy przedstawione charakterystyki dotyczą zmian wartość (np. kąta wyprzedzenia zapłonu) czy wartości bezwzględnych? Kąt zapłonu o wartości –2oOWK wydaje się nieprawidłowy.
5. S. 77. Analiza pierwszej części badań jest dość ogólnikowa. Brak analiz ilościowych nie pozwala na uzyskanie jednoznacznych i wiążących wniosków umożliwiających dalsze prowadzenie badań. Autor pisze, że „występowanie tak dużej nierównomierności przebiegu ciśnienia spalania w poszczególnych cylindrach oraz pomiędzy nimi..[]
powoduje konieczność zmiany parametrów..”. Jednak poza umieszczeniem wyników w tabeli nie dokonano żadnej analizy nierównomierności pracy silnika.
6. S. 93. Brak analiz stężenia tlenku węgla o których mowa w nagłówku tablicy 14.
7. S. 105. Maksymalna wartość ciśnienia w cylindrze nie zależy od liczby cykli. Jednak wartość średnia tego maksimum zależy od liczby cykli. Co jest powodem, że największa wartość ciśnienia spalania występuje przy uśrednianiu ośmiu cykli pracy silnika? Czy jest to słuszne stwierdzenie? Czy wybór konkretnych ośmiu cykli ma znaczenie?
8. S. 105. Czy w punkcie 45oOWK przed GMP jest już proces spalania o którym pisze Autor?
9. Na str. 110 Autor informuje, że w V etapie dokona oceny wpływu stopnia recyrkulacji na emisję tlenków azotu. Brak jest jednak takich analiz w tym etapie badań.
3. PODSUMOWANIE
Na podstawie analizy treści stwierdzam, że oceniana praca mieści się w dyscyplinie naukowej budowa i eksploatacja maszyn.
Temat dysertacji jest ważny w eksploatacji silników spalinowych a uzyskane wyniki mogą być w przyszłości wykorzystane w praktyce eksploatacyjnej silników gazowych.
Równocześnie temat rozprawy jest niedostatecznie opisany w literaturze a sam sposób rozwiązania tematu jest oryginalnym rozwiązaniem Autora i stanowi o niewątpliwej wartości pracy. Zadanie, którego podjął się Autor należy do trudnych, bowiem jego realizacja wymagała zastosowania technik pomiarowych i wykonania skomplikowanych badań na
obiekcie będącym w ciągłej eksploatacji. Z tego powodu podjęcie się tak trudnego zadania przez Autora uważam za cenną wartość pracy.
W rozwiązywaniu zadania Autor wykazał się samodzielnością w formułowaniu oryginalnych problemów naukowych i ich rozwiązywaniu oraz umiejętnością prowadzenia unikalnych eksperymentów badawczych. Przeprowadzone rozważania teoretyczne i uzyskane wyniki badań są przekonywujące i w pełni potwierdzają postawiony w pracy cel.
Pod względem metodologicznym praca jest prawidłowa. Autor potwierdził umiejętność formułowania hipotez, prowadzenia badań i analiz w sposób uporządkowany i metodyczny oraz prawidłowe podejście do interpretacji wyników. Na podkreślenie zasługuje również poziom redakcyjny i edytorski pracy.
Zawarte w opinii uwagi krytyczne nie wpływają na ogólną pozytywną ocenę pracy. Należy zaznaczyć równocześnie, że niektóre z uwag mają charakter dyskusyjny czy wyjaśniający lub stanowią alternatywne podejście do zagadnienia.
W podsumowaniu stwierdzam, że rozprawa mgra inż. Jacka Wawrzyniaka pt.
„Niejednorodność spalania gazów w wielocylindrowym silniku gazowym jako czynnik wpływający na zużycie paliwa i emisję związków toksycznych” spełnia wymagania stawiane pracom na stopień doktora nauk technicznych, w rozumieniu art. 13 ustawy z dnia 14 marca 2003 o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. Stawiam zatem wniosek o dopuszczenie mgra inż. Jacka Wawrzyniaka do publicznej obrony ocenianej dysertacji.
