Bachelor's Thesis

Advanced engine simulation model based on 3D models of real geometry

Final Thesis 2.65 MB

Author of thesis: Bc. Jindřich Rolka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michael Böhm, Ph.D.

Reviewer: Ing. Lukáš Zeizinger, Ph.D.

Abstract:

The focus of this bachelor thesis was the calibration and subsequent comparison of simulation models of a 1.5 TSI spark ignition engine within the GT-SUITE environment. The main objective was to determine the effect of changes to the combustion model and the implementation of realistic 3D geometry of the combustion chamber on the resulting model parameters. Using Design of Experiments (DoE) method, complete characteristics of brake specific fuel consumption (BSFC), indicated efficiency and 50% burned crank angle (CA – 50) were generated. The results of the thesis demonstrated a noticeable influence of the implemented 3D geometry on all tested characteristics.

Keywords:

spark ignition engine, engine simulation, combustion model, 3D geometry implementation

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta: 1) Při importu STL geometrie do GT-SUITE došlo ke kolizi pístu a hlavy válců a problém byl vyřešen úpravou geometrie hlavy v ose Z. Jak se touto úpravou změnil objem spalovacího prostoru a kompresní poměr modelu? Zodpovězeno 2) U prediktivního modelu se v mapě CA-50 objevuje oblast s velmi vysokými hodnotami až 75,58°. Jak si tuto oblast fyzikálně vysvětlujete a považujete tyto pracovní body za reálně provozovatelné? Zodpovězeno Další otázky k závěrečné práci od členů komise: 1) Jak jste uvažoval těsnění hlavy válců v modelu? Částečně zodpovězeno. 2) Jaká je tlouštka těsnění hlavy válců? Zodpovězeno. 3) Proč v práci není výška horního můstku pístu? Případně jaký má vliv na přenos tepla? Částečně zodpovězeno. 4) Proč v práci není modelovaný ventil a svíčka motoru? Částečně zodpovězeno. 5) Vysvětlete CA-50 prediktivní model. Částečně zodpovězeno. 6) Jak byste prakticky změřil kompresní objem, pokud byste měl komponenty k dispozici? Částečně zodpovězeno. 7) Čím je způsobený rozdílný kompresní poměr motoru za studena a tepla? Zodpovězeno. 8) Jak pracuje 1-D program s 3D geometrií? Částečně zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. (předseda)
prof. Dr. Ing. René Pyszko (místopředseda)
Ing. David Svída, Ph.D. (člen)
Ing. Michael Böhm, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Janoušek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michael Böhm, Ph.D.

Bakalářská práce pana Jindřicha Rolky se zabývá tvorbou a porovnáním pokročilých simulačních modelů zážehového motoru 1.5 TSI v prostředí GT-SUITE. Práce v celkovém rozsahu 46 stran je rozdělena na rešeršní část, část popisující simulační model motoru a praktickou část zaměřenou na porovnání různých modelů hoření.

Student k řešení práce přistoupil aktivně, hojně využíval konzultace. V průběhu zpracování se musel seznámit s pokročilejšími funkcemi prostředí GT-SUITE, prací s metodou Design of Experiments a také s úpravou 3D geometrie hlavy válců a pístu pro následný import do modelu hoření.

Rešeršní část práce je zpracována poměrně srozumitelně a uvádí základní poznatky z oblasti fyzikálního modelování motorů, ideálních a reálných cyklů, přestupu tepla, hoření, abnormálního spalování a přeplňování. Za slabší stránku této části považuji skutečnost, že je místy poměrně obecná a méně se věnuje přímo problematice a výhodám využití 3D geometrie pro modely hoření.

V praktické části student analyzuje model motoru a porovnává tři různé přístupy modelování hoření. Vlasnosti těchto modelů analyzuje na charakteristikách motoru jako je měrná spotřeba paliva, indikovaná účinnost či poloha těžiště hoření.

Za nedostatek práce považuji především méně podrobný popis kalibrace a optimalizace modelu. Student uvádí optimalizaci vybraných parametrů, avšak vzhledem k popisu se jedná špíše o ladění parametrů. Vhodné by bylo doplnit také rozdílové mapy mezi jednotlivými modely a hlubší technickou interpretaci příčin zjištěných rozdílů. Úprava geometrie, provedená za účelem odstranění kolize pístu a hlavy válců, je taktéž popsána velmi stroze.

Formální úroveň práce je dobrá, avšak obsahuje větší množství stylistických a jazykových nedostatků. V textu se objevují neobratné formulace, nejednotnosti v nadpisech, drobné chyby v číslování obrázků a také chyby v seznamu použitých zkratek a symbolů. Grafická stránka práce je celkově přehledná, výsledkové mapy jsou vhodně zvolené, ale některé formální nedostatky snižují celkový dojem z práce.

Autor pracuje s relevantní odbornou literaturou a dokumentací GT-SUITE, objevují se však i méně vhodné internetové zdroje. Využití generativní AI je v práci transparentně uvedeno jako podpůrné.

S ohledem na technickou náročnost praktické části, dosažené výsledky a s ohledem na výše uvedené nedostatky práci doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením B / velmi dobře.
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 C
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. Lukáš Zeizinger, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zabývá pokročilým simulačním modelem zážehového motoru 1.5 TSI evo v prostředí GT-SUITE, se zaměřením na porovnání neprediktivního modelu hoření, prediktivního modelu hoření a prediktivního modelu s implementovanou 3D geometrií spalovacího prostoru. Práce v hlavních bodech naplňuje zadání, zejména v oblasti 1D modelování motoru, importu geometrických dat, provedení simulací a porovnání výsledků vůči modelům založeným pouze na 1D datech. Pozitivně hodnotím, že student pracoval s konkrétním simulačním modelem, vytvořil mapy BSFC, indikované účinnosti a CA–50 a pokusil se vyhodnotit vliv vyšší úrovně geometrického detailu na výsledné charakteristiky motoru.

Za silnou stránku práce považuji praktickou část realizovanou v prostředí GT-SUITE. Student neřešil pouze obecný teoretický popis, ale upravil model hoření, provedl porovnání tří variant modelu a pracoval s úplnými charakteristikami získanými pomocí DoE. Přínosná je také část věnovaná importu STL geometrie pístu a hlavy válců do Flame Geometry Object, protože ukazuje konkrétní postup implementace prostorových dat do simulačního prostředí. Práce tím prokazuje schopnost studenta pracovat s pokročilejším simulačním nástrojem, interpretovat výsledkové mapy a formulovat závěry k rozdílům mezi jednotlivými přístupy modelování spalování.

Práce však obsahuje i některá metodická a formální omezení. Rešerše digitalizace komponent je zpracována spíše stručně a vlastní 3D geometrie nebyla studentem reálně digitalizována, ale převzata a dále upravena. Problematické je zejména to, že při řešení kolize pístu a hlavy válců byla upravena geometrie spalovacího prostoru, aniž by byl přesně vyhodnocen vliv této úpravy na kompresní objem, kompresní poměr nebo další geometrické parametry. Uvedené nedostatky však nesnižují skutečnost, že práce má dobrou technickou úroveň, praktický simulační přínos a splňuje požadavky zadání. Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení B – velmi dobře.
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 C
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. U prediktivního modelu se v mapě CA–50 objevuje oblast s velmi vysokými hodnotami až 75,58°. Jak si tuto oblast fyzikálně vysvětlujete a považujete tyto pracovní body za reálně provozovatelné?
  2. Při importu STL geometrie do GT-SUITE došlo ke kolizi pístu a hlavy válců a problém byl vyřešen úpravou geometrie hlavy v ose Z. Jak se touto úpravou změnil objem spalovacího prostoru a kompresní poměr modelu?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová