Recenzja rozprawy doktorskiej "Wpływ ruchu ładunku w kolektorze

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.
1
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.)
2
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.
3
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 przyczynowoskutkowych, 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
4
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.
5
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.
6