RECENZJA Rozprawy doktorskiej Mgr. inż. TOMASZA BOROWCZYKA pt.

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

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

RECENZJA Rozprawy doktorskiej

Mgr. inż. TOMASZA BOROWCZYKA pt.

„WPŁYW RUCHU ŁADUNKU W KOLEKTORZE SSĄCYM NA PRZEBIEG PROCESU SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE

SAMOCZYNNYM”

Promotorstwa: Prof. dra hab. inż. Marka IDZIORA

Podstawa opracowania recenzji:

Pismo Dziekana Prof. dra hab. inż. FRANCISZKA TOMASZEWSKIEGO o decyzji RADY WYDZIAŁU MASZYN ROBOCZYCH I TRANSPORTU POLITECHNIKI POZNAŃSKIEJ z dnia 29.04.2014 r., do którego dołączono egzemplarz rozprawy doktorskiej.

WYBÓR TEMATYKI ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

W swej rozprawie doktorskiej Pan mgr inż. Tomasz Borowczyk podjął bardzo ważny i stale aktualny z naukowego punktu widzenia problem badawczy, związanych z ruchem ładunku w przestrzeni roboczej silnika spalinowego. Na podkreślenie zasługuje podjęcie przez Autora pracy naukowej w zakresie badań podstawowych, co w dyscyplinie związanej z rozwojem maszyn cieplnych stanowi obecnie rzadkość. 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 ruchu ładunku w układzie dolotowym i w systemie spalania silnika, mimo, że zakres pracy obejmuje tylko etap teoretycznych i doświadczalnych badań podstawowych, jest bardzo istotnym krokiem w kierunku pogłębiania wiedzy na ten temat. Podjęta tematyka nie jest wprawdzie nowa, ale nadal liczne ośrodki naukowo-badawcze i przemysłowe prowadzą badania podobnego typu, często stosując nowe, zaawansowane technicznie technologie i przeznaczając na tego typu cele znaczne środki finansowe. Wagę problemu podkreśla również duża liczba współczesnych publikacji naukowych w tym obszarze badań, co dowodzi istnienia zapotrzebowania na badania tego typu.

Mając to na uwadze można 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 oddaje jej treść, przy czym użycie w tytule określenie „kolektor ssący”

powinno zostać zastąpione określeniem „kolektor dolotowy”.

Cała rozprawa doktorska została przedstawiona łącznie na 158 stronach maszynopisu wraz z wzorami, rysunkami, fotografiami, tabelami oraz załącznikami. Zasadnicza treść rozprawy, wraz z obszerną i aktualną literaturą obejmującą 55 pozycji, jest zawarta logicznie w ośmiu rozdziałach, a dodatkowo podano wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń, a także streszczenie w języku polskim i angielskim. Pozostałą część pracy stanowi zbiór niezbędnych załączników, podzielony na trzy części. Tak obszerna objętość pracy wynika z charakteru prowadzonych badań, w których prezentacja i interpretacja wyników wymagała środków graficznych.

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.

Rozdział poświęcony istniejącej wiedzy związanej z postawionym problemem badawczym zajmuje 55 stron, tj. ok. 50% zasadniczej treści rozprawy. Tak obszerna część wstępna jest jednak w tym przypadku uzasadniona, biorąc pod uwagę wnikliwie przeprowadzoną analizę zjawisk fizycznych w zakresie badań podstawowych. W oddzielnym rozdziale sformułowano tezę i cel pracy. Część rozprawy, która dotyczy badań doświadczalnych, obliczeń numerycznych, omówienia wyników i podsumowania zajmuje także około 50% treści pracy. W tej części Autor odnosi się i powołuje na treść załączników, które obejmują: część metodyki badań (zał. A), wyników badań symulacyjnych (zał. B) oraz kierunki dalszych badań (zał. C).

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 miało znaczący wpływ na układ rozprawy.

Pierwsze cztery rozdziały pracy mają formę monografii zawierającej wiedzę związaną z postawionym problemem badawczym. Niezrozumiałe natomiast jest umieszczenie podsumowania tej części pracy w rozdziale piątym, w którym sformułowano tezy pracy oraz cel jej realizacji. Rozdział szósty, liczący łącznie 16 stron zawiera opis stosowanej metodyki oraz warsztatu badawczego, w zakresie badań doświadczalnych i symulacyjnych. W rozdziale siódmym, na ponad 30 stronach, przeprowadzono interpretację otrzymanych wyników badań symulacyjnych i doświadczalnych. W podsumowaniu zawarto podstawowe wnioski płynące z przeprowadzenia badań, a także zaprezentowano, nieco oderwaną od treści pracy, własną koncepcję modyfikacji układu dolotowego silnika, zamieszczając schemat działania rozdzielacza elektrohydraulicznego, będącego przedmiotem wniosku patentowego Doktoranta.

Praca zawiera załączniki, z których pierwszy (zał. A) został zatytułowany „Metodyka

badań”, natomiast jego treść zawiera opis warsztatu badawczego, który z powodzeniem

mógłby zostać włączony do zasadniczej części pracy. Załącznik drugi (zał. B) zawiera

obszerny, bardzo starannie przygotowany materiał graficzny, będący wynikiem badań

symulacyjnych. Załącznik trzeci (zał. C), zawiera opis zgłoszenia patentowego wraz z

odpowiednimi rysunkami, przy czym został on opatrzony tytułem „Kierunki dalszych

badań”, który nie ma żadnego związku z treścią tego rozdziału. Zastrzeżenia budzi także

oznaczenie rozdziałów w załączniku A i C, tymi samymi symbolami (A.1.)

TEZA, CEL, ZAKRES ORAZ SPOSÓB REALIZACJI PRACY

Treść poprzedzająca postawienie tezy rozprawy stanowi streszczenie stanu wiedzy opisanego we wstępnych czterech rozdziałach rozprawy i zawiera wnioski dotyczące tej części pracy. Zgodnie z zasadami prowadzenia prac naukowych, ten rozdział powinien zostać umieszczony jako podsumowanie wstępnej części pracy.

Postawiony przez Autora naukowy problem badawczy, wyrażony tzw. tezą główną, sprowadza się do udowodnienia zależności pomiędzy ruchem powietrza w kolektorze dolotowym, a przebiegiem reakcji spalania w przestrzeni roboczej silnika.

Ten zasadniczy problem badawczy uzupełniony został tzw. tezami pomocniczymi, które rozszerzają zakres problemu badawczego i w szczegółowy sposób zakreślają zależności wymienione w głównej tezie.

Główny cel prowadzonych badań pokrywa się w zasadzie w postawioną tezą i dotyczy oceny wpływu ruchu ładunku w układzie dolotowym silnika na kinetykę reakcji spalania.

Podobnie jak teza rozprawy, również jej cel został uzupełniony o tzw. cele cząstkowe, z których pierwszy wskazuje na metodę oceny kinetyki reakcji chemicznych, a drugi wskazuje na sposób realizacji tej metody.

Autor zamieścił również diagram wyjaśniający schemat postępowania podczas realizacji głównych celów pracy.

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

OCENA MERYTORYCZNA ROZPRAWY

W pracy poruszono ważne zagadnienia z zakresu podstaw teorii maszyn cieplnych. Są to szczegółowe zagadnienia dotyczące teorii silników spalinowych, związane z podstawami teoretycznymi procesu napełniania, przepływu i ruchu czynnika roboczego, jak i z zakresu procesów zachodzących w komorze spalania silnika. Ten obszar tematyki powiązano z wiedzą z zakresu termochemii spalania oraz znajomością współczesnych technik symulacyjnych, która to wiedza była niezbędna do realizacji postawionych celów naukowych.

Na podkreślenie zasługuje także znajomość oraz stosowanie przez Autora wiedzy z zakresu metodyki badań naukowych, co miało znaczący wpływ na układ treści rozprawy.

Dużą wartością pracy składającą się na dorobek Autora rozprawy jest przeprowadzenie naukowej analizy związków istniejących pomiędzy ruchem ładunku w układzie dolotowym a procesami zachodzącymi w przestrzeni roboczej silnika.

Proces spalania, w którym następuje zamiana energii chemicznej paliwa na energię cieplną

jest najważniejszym etapem przemiany energii w silniku spalinowym. Jakość tego procesu

decyduje zarówno o parametrach roboczych silnika, jak i składzie chemicznym wydalanych

spalin. W związku z tym, 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. Zależność pomiędzy ruchem ładunku w

układzie dolotowym i we wnętrzu cylindra, a przebiegiem procesu spalania jest powszechnie

znana i stosowana w wielu typach silników ZI i ZS, o czym Autor zresztą wspomina we

wstępnych rozdziałach rozprawy. Przykładami mogą być np.: system TwinPort, stosowany w

silnikach ZI firmy Opel lub też system zmiennego przekroju kanałów dolotowych w silnikach

FSI firmy Volkswagen. Podobne rozwiązania stosowane są także w silnikach ZS, w których

stosuje się np. specjalne rozmieszczenie kanałów dolotowych gwarantujące odpowiedni

kierunek napływu powietrza do cylindra, gwarantujący odpowiednie zawirowanie ładunku w

cylindrze.

W swojej pracy Doktorant zaproponował własne rozwiązanie konstrukcyjne zmieniające kinetykę napływu czynnika do przestrzeni roboczej silnika i generujące zawirowanie, którego intensywność i forma może podlegać zmianie w trakcie pracy silnika. Jest to duży krok w dziedzinie kształtowania napływu strugi ładunku do cylindra, który może przynieść wymierne korzyści.

W realizacji postawionego zadania Autor poruszył dwa duże i złożone problemy poznawcze, z których pierwszy dotyczy rozpoznania kinematyki ruchu ładunku, a drugi procesu rozwoju reakcji spalania. Na podkreślenie zasługuje fakt, że oba badane procesy zachodzą równocześnie w bardzo krótkim czasie, rzędu kilkudziesięciu do kilkuset milisekund, a niektóre z nich odbywają się w zamkniętej przestrzeni roboczej silnika, co dodatkowo komplikuje ich badanie i analizę.

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 spalania dla podczas zmiany kinetyki napływu ładunku.

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. Z tych względów przedstawioną rozprawę można uznać za oryginalny dorobek naukowy Doktoranta, stanowiący wkład w dziedzinę nauki dotyczącej podstaw teoretycznych i badania procesów cieplnych zachodzących w silnikach spalinowych.

Do osiągnięcia postawionych celów Doktorant musiał zaprojektować i wykonać unikatowe w skali kraju stanowisko badawcze, którego głównym elementem był badawczy silnik spalinowy z zamontowanym systemem zmiany kinetyki ruchu ładunku, opracowanym według własnej koncepcji Autora pracy. Wyniki tych badań zostały zaprezentowane w postaci trójwymiarowych wykresów, pozwalających na ocenę i analizę mierzonych parametrów w funkcji prędkości obrotowej i obciążenia silnika.

Dużą część pracy stanowią badania modelowe, których celem było uzasadnienie podjęcia badań zaproponowanej koncepcji i wyznaczenie granicy jej stosowania. Przeprowadzono wnikliwą analizę wyników tych prac i sporządzono cały szereg rysunków animacyjnych, ułatwiających ich interpretację. Uzyskane rezultaty pozwalają na określenie kształtu i prędkości zawirowania ładunku w cylindrze silnika oraz na określenie wpływu ruchu ładunku na przebieg procesu tworzenia mieszanki, powstawania ognisk samozapłonu i rozprzestrzeniania się płomienia. W tej części pracy Doktorant wykazał się znajomością specjalistycznych programów do symulacji procesów silnikowych, takich jak np. AVL FIRE oraz programów o bardziej uniwersalnym przeznaczeniu jak: Autodesk, Simulation CFD, czy też umiejętnością zastosowania metody elementów skończonych (MES) do rozwiązania złożonych procesów przepływowych i termodynamicznych. 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. Otrzymane wyniki badań doświadczalnych oraz modelowych poddano ocenie w aspekcie niepewności pomiarowej i oceny błędów. 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

Prezentacja uzyskanych wyników badań jest zawarta w rozdz. 8 pt. Podsumowanie i

została podzielona na dwie spójne części dotyczące tematu pracy, pozwalające na

potwierdzenie założonych tez oraz celów i wyciągnięcie wniosków. Są to części dotyczące:

analizy wyników symulacji ruchu ładunku oraz analizy wyników badań doświadczalnych.

Trzecia część tego Podsumowania robi wrażenie oderwanej od treści pracy i dotyczy opisu systemu elektrohydraulicznego sterowania zaworami dolotowymi, który jest częścią dorobku konstrukcyjnego Doktoranta. Szczegółowy opis tego rozwiązania, które w rozprawie nie było przedmiotem badań i analizy, powtórzono w liczącym 11 stron załączniku C.

Wszystkie wymienione powyżej elementy rozprawy doktorskiej mgra inż. Tomasza Borowczyka 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.

Analizując treść rozprawy nasuwają się pewne pytania i uwagi, które jednak nie umniejszają jej pozytywnej wartości merytorycznej. Przykładami mogą być:

1. Do badań doświadczalnych przyjęto prosty, jednocylindrowy silnik badawczy, którego cechy konstrukcyjne są dość odległe od nowoczesnych jednostek.

2. W przedstawionej koncepcji zbadano wyłącznie wpływ parametrów kinetycznych ładunku na rozwój i przebieg procesu spalania. Nie uwzględniono przy tym roli i znaczenia innych, bardzo istotnych czynników, takich jak np.: położenie wtryskiwacza, liczbę i średnicę otworków, wartość ciśnienia wtrysku i zasięg strugi paliwa, czas wtrysku i podział dawki, itp., które w istniejących konstrukcjach silników są powszechnie wykorzystywane w kształtowaniu przebiegu procesu spalania.

3. Kształtowanie ruchu ładunku w kanale dolotowym silnika za pomocą przesłony proponowanej przez Autora, powoduje powstanie strat dławienia przepływu, czego nie uwzględniono w prowadzonych analizach.

4. Zaproponowana metoda została zbadana w ustalonych warunkach pracy silnika.

Wydaje się jednak, 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 takich warunkach jest wielce prawdopodobne osiągnięcie krytycznej prędkości napływu ładunku, co może spowodować nie tylko niepożądany efekt akustyczny, lecz istotne zakłócenia w przebiegu procesu spalania.

5. Pewnym niedostatkiem opracowania wyników jest brak stworzenia formuły, która umożliwiałaby bezpośrednie porównanie wyników prac modelowych z wynikami prac doświadczalnych.

6. Niektóre z wniosków, wynikających z analizy wyników badań doświadczalnych (rozdz. 7.3), nie wynikają z prowadzonych badań, a jedynie z przewidywań Autora pracy.

Zauważono ponadto pewne usterki o charakterze redakcyjnym, jak np.:

1. Jak już wcześniej wspomniano, użyte w tytule pracy określenie „kolektor ssący”

powinno zostać zastąpione określeniem „kolektor dolotowy”, tym bardziej, że w badania prowadzono z zastosowaniem silnika doładowanego, w którym żaden proces

„ssania” nie występuje.

2. Podobna uwaga dotyczy używanego wielokrotnie używanych terminów „zawór

ssący”, a także „kanał ssący” i „suw ssania”. W tym ostatnim przypadku należy

ponadto zauważyć, że słowo „suw” oznacza geometryczne przemieszczenie tłoka z

jednego do drugiego skrajnego położenia, natomiast w kontekście stosowania tego

terminu przez Autora wynika, że chodziło tu o proces napełniania, który nie pokrywa

się z suwem.

3. W pracy Autor często używa zamiennie terminów „stężenie” i „koncentracja”, które w przypadku jednej pracy powinny zostać ujednolicone.

4. Podobnie, na określenie silnika z zapłonem samoczynnym Autor stosuje oznaczenie

„silnik o ZS” lub „silnik ZS”. W polskiej literaturze fachowej przyjmuje się, że określenie „silnik ZS” lub odpowiednio „silnik ZI” jednoznacznie określa typ silnika.

5. W treści pracy Autor używa niekiedy określenia „poziom” do określenia wartości mierzonych wielkości fizycznych.

6. W wykazie oznaczeń oraz w tabelach z danymi silnika prawidłowo zdefiniowano

„objętość skokową”, natomiast w treści pracy używa się wielokrotnie określeń

„pojemność skokowa”.

W pracy znaleziono także nieliczne, drobne usterki o charakterze pomyłek literowych, które wynikały prawdopodobnie z przeoczenia Autora. Ogólnie jednak należy podkreślić, że cała praca została zredagowana z dużą starannością, zarówno w odniesieniu do użytego słownictwa, zamieszczonych rysunków i ich opisów, jak i użytych metod graficznych.

WNIOSKI KOŃCOWE

Recenzowana praca doktorska autorstwa mgr. inż. Tomasza Borowczyka dotyczy aktualnego problemu badawczego związanego z procesem spalania w silniku spalinowym.

W omawianej dziedzinie praca zawiera istotne wartości naukowe związane z ważnym problemem dotyczącym podstawowych badań zmierzających do poprawy sprawności maszyn cieplnych.

W pracy Autor podał szereg wyników swoich rozważań i badań, które mają dużą wartość także dla praktyki technicznej. Stanowi to oryginalny dorobek naukowy Doktoranta.

Doktorant udowodnił, że jest dojrzałym naukowcem, który potrafi przemyśleć i rozwiązać naukowy problem badawczy, zaplanować eksperyment, przygotować badany przedmiot oraz stanowisko wraz z aparaturą do badań, przeprowadzić badania i zinterpretować otrzymane wyniki, a także wyciągnąć odpowiednie wnioski i je przedstawić.

Uważam, że recenzowana praca doktorska pt.:

„WPŁYW RUCHU ŁADUNKU W KOLEKTORZE SSĄCYM NA PRZEBIEG PROCESU SPALANIA W SILNIKU O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM”,

której autorem jest Pan mgr inż. Tomasz Borowczyk 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. Tomaszowi Borowczykowi stopnia naukowego doktora nauk technicznych.

Kraków, dnia 27. 05. 2014 r.