Master's Thesis

Conversion of a diesel engine for simultaneous combustion of diesel and hydrogen

Final Thesis 4.73 MB

Author of thesis: Ing. Josef Ptáček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Matěj Poulíček

Reviewer: Ing. Petr Potoček

Abstract:

This thesis examines the conversion of a Tatra T3D-928 20 diesel engine to a Dual Fuel system that burns hydrogen and diesel. The main objective is to reduce greenhouse gas emissions while maintaining comparable or better engine performance parameters. The theoretical section provides an overview of the use of hydrogen as an alternative fuel, primarily in internal combustion engines and fuel cells, mainly in automobiles. It also analyzes the operating principles of a diesel engine and the specifics of converting it to Dual Fuel combustion. In the practical section, a 1D model of the Tatra reference engine and its modified variant with Dual Fuel combustion are created in the GT–Suite program. The model is optimized through several iterations, focusing on maximizing the hydrogen energy share (HES) and power output while simultaneously reducing emissions and eliminating knocking. To achieve the desired parameters, the timing of hydrogen and diesel injection is optimized.

Keywords:

Dual Fuel combustion, compression-ignition engine, GT Suite, greenhouse gas emissions, hydrogen energy share, hydrogen, diesel

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta. Otázky oponenta: 1. Který jev v Dual Fuel spalování je podle Vás v 1D modelu GT‑Suite nejvíce zjednodušen a jak by jeho nepřesné modelování ovlivnilo výsledky Vaší optimalizace? - Zodpovedané 2. Jaká je fyzikální příčina nárůstu NOx při přídavku vodíku? Jak by se změnil optimální kompresní poměr Vašeho motoru, pokud by cílem nebyla maximalizace HES, ale minimalizace emisí NOx? - Zodpovedané 3. Jak by se změnily Vaše výsledky při použití jiného modelu spalování? - Zodpovedané 4. Jaké konkrétní konstrukční parametry motoru Tatra nejvíce omezují dosažitelný podíl vodíku ve Vašem modelu a jak by jejich změna ovlivnila výsledky? - Zodpovedané Následně odpovídal na otázky členů zkušební komise: 1. Kde by ste videli použitie vodíku ako výhodné, vzhľadom na vysokú cenu? Ktorý zdroj vodíku je relatívne za nízku cenu? - Čiastočne zodpovedané 2. Prečo si myslíte, že je preplachovanie spaľovacieho priestoru výhodné? - Zodpovedané 3. Aký súčiniteľ prebytku vzduchu by ste zvolili pri spaľovaní vodíku v zážihovom motore? - Zodpovedané 4. Použili ste aj prediktívny model horenia? - Zodpovedané

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Automotive and Material Handling Engineering (N-ADI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Marek Slovák (člen)
Ing. Zdeněk Novosad (člen)
doc. Ing. Zdeněk Kaplan, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Matěj Poulíček

Diplomová práce pana Josefa Ptáčka se zabývá problematikou přestavby vznětového motoru Tatra T3D-928 na režim Dual Fuel spalování vodíku s naftou. Práce je zpracována v poměrně širokém rozsahu a kombinuje rešeršní část zaměřenou na vodíkové technologie s praktickou částí založenou na tvorbě a optimalizaci 1D modelu motoru v prostředí GT-Suite.

Rešeršní část práce zpracovává aktuální problematiku vodíkových palivových článků, vodíkových spalovacích motorů a jejich využití v dopravě. Oceňuji zejména snahu o technické i ekonomické porovnání jednotlivých koncepcí a propojení rešerše s následnou praktickou částí práce. Student pracoval s poměrně rozsáhlým množstvím literatury, včetně zahraničních odborných zdrojů. V textu se však místy objevují zjednodušená nebo obecnější tvrzení, zejména při hodnocení ekonomické stránky vodíkových technologií a některých zobecněních týkajících se emisní problematiky.

Praktická část práce je založena na vytvoření simulačního modelu motoru a jeho následné optimalizaci z hlediska výkonových parametrů, podílu vodíku a omezení klepání. Student provedl několik iterací návrhu a systematicky hodnotil vliv jednotlivých parametrů na výsledné chování motoru. Za přínos práce považuji především návrh a úpravy simulačního modelu a snahu o nalezení kompromisu mezi výkonem, emisemi a provozní stabilitou motoru. Práce je založena převážně na simulačním řešení bez experimentální validace modelu, což je však vzhledem k rozsahu diplomové práce pochopitelné.

Po formální stránce je práce zpracována na dobré úrovni, text je převážně přehledný a logicky uspořádaný. Grafická úprava je kvalitní, přesto se v práci objevují drobné stylistické nedostatky a místy spíše popularizační styl formulací.

Předložená diplomová práce splňuje požadavky zadání a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic C

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Petr Potoček

Diplomová práce pana Ptáčka se zabývá aktuální problematikou využití vodíku ve spalovacích motorech, přestavbou vznětového motoru na režim Dual Fuel a snížením emisí modelovaného motoru při zachování původních výkonových parametrů. Teoretická část práce (40 stran) je velmi rozsáhlá a pokrývá široké spektrum problematiky, od základních vlastností vodíku až po detailní popis vodíkových spalovacích procesů, avšak její zpracování má výrazně kompilativní charakter a místy působí nepřiměřeně rozsáhle vzhledem k vlastnímu řešení. Vazba některých kapitol na praktickou část práce je omezená.

Praktická část (35 stran) je založena na vytvoření a optimalizaci 1D modelu motoru v prostředí GT‑Suite. Tento přístup je vzhledem k tématu práce adekvátní, avšak je omezen převážně na aplikaci tohoto softwarového nástroje bez hlubší analýzy a základním nedostatkem je absence jakékoliv experimentální formy validace modelu, nebo alespoň porovnání s referenčními daty. Interpretace výsledků je převážně popisná a nepřekračuje úroveň konstatování trendů pozorovaných v simulaci, přičemž chybí hlubší fyzikální rozbor, analýza citlivosti modelu na vstupní parametry či diskuse nejistot a tato skutečnost významně omezuje důvěryhodnost dosažených výsledků. Vlastní přínos práce je tak omezen na konkrétní aplikaci známých postupů a iterativní ladění parametrů, aniž by docházelo k formulaci obecněji platných závěrů nebo k rozšíření stávajícího poznání v dané oblasti. Z hlediska využitelnosti lze výsledky považovat spíše za orientační než prakticky aplikovatelné, jelikož bez validace nelze jejich přesnost ani přenositelnost na reálný motor považovat za prokázanou.

Formální a stylistická úroveň práce je celkově dobrá, avšak místy se objevují těžkopádné formulace, nejednotná terminologie a zbytečně komplikované věty, které snižují čtivost textu. Práce s literaturou je rozsáhlá a zahrnuje relevantní zdroje, nicméně jejich využití je převážně popisné a postrádá kritickou analýzu či hlubší syntézu poznatků. Pozitivně lze hodnotit transparentní přístup k využití nástrojů generativní AI, které nebyly použity pro tvorbu odborného obsahu. Celkově lze konstatovat, že práce splňuje základní požadavky na diplomovou práci, avšak vykazuje významné rezervy zejména v oblasti metodického přístupu, validace výsledků a hloubky inženýrského zpracování. Práci doporučuji k obhajobě s navrhovaným stupněm hodnocení C.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality D
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory D
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations C
Topics for thesis defence:
  1. Jaké konkrétní konstrukční parametry motoru Tatra nejvíce omezují dosažitelný podíl vodíku ve Vašem modelu a jak by jejich změna ovlivnila výsledky?
  2. Který jev v Dual Fuel spalování je podle Vás v 1D modelu GT‑Suite nejvíce zjednodušen a jak by jeho nepřesné modelování ovlivnilo výsledky Vaší optimalizace?
  3. Jaká je fyzikální příčina nárůstu NOx při přídavku vodíku? Jak by se změnil optimální kompresní poměr Vašeho motoru, pokud by cílem nebyla maximalizace HES, ale minimalizace emisí NOx?
  4. Jak by se změnily Vaše výsledky při použití jiného modelu spalování?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová