Bachelor's Thesis

Direct hydrogen combustion in the internal combustion engine of a truck

Final Thesis 2.61 MB

Author of thesis: Bc. Aleš Škoda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michael Böhm, Ph.D.

Reviewer: Ing. Lukáš Zeizinger, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis is focused on the issue of hydrogen combustion in a heavy-duty truck internal combustion engine. The theoretical part describes the physical and chemical-thermal properties of hydrogen in comparison with conventional fuels. The compared properties are specific energy per unit of volume and per unit of mass, ignition energy, calorific value, flame propagation speed, stoichiometric ratio and octane number. This was followed by a Well-to-Wheel analysis of the hydrogen production process for individual methods. An overview of current solutions and prototypes of hydrogen combustion engines for heavy-duty transport is also included.
The practical part consisted of a comparison of hydrogen as a fuel. The comparison was carried out based on the results of simulations of a hydrogen and a diesel 1D model in the GT-Suite software. Both models were based on a shared platform. The compared values were the performance parameters, specific fuel consumption, specific efficiency, NOx emission production and the influence of the crankshaft angle on the in-cylinder pressure curve.

Keywords:

Hydrogen, Well-to-Wheel, heavy-duty truck, GT-Suite, Cummins X15H

Date of defence

09.06.2026

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: V rešeršní části uvádíte, že Cummins X15H využívá přímé vstřikování vodíku, ale v GT-Suite modelu je ponecháno PFI vstřikování. Jaký vliv má toto zjednodušení na výsledky výkonu, průběhu tlaku ve válci a emisí NOx? Hodnocení: Zodpovězeno. V práci uvádíte, že vodíkový model vykazuje výrazně nižší emise NOx než dieselový model. Jak by se výsledky změnily, pokud by byl do dieselového modelu zahrnut systém následné úpravy spalin, zejména SCR? Hodnocení: Zodpovězeno. Následně odpovídal na otázky členů zkušební komise: Ako finančne vychádza vodík ako palivo? Hodnocení: Částečně zodpovězeno. Aké veličiny boli důležité pre optimalizáciu? Hodnocení: Zodpovězeno. Prečo ste určili na porovnanie vznetový a zážehový motor? Hodnocení: Zodpovězeno. Ako funguje SCR katalyzátor? Hodnocení: Zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

prof. Ing. Josef Štětina, Ph.D. (předseda)
prof. Dr. Ing. René Pyszko (místopředseda)
Ing. Ondřej Blaťák, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Fojtášek, Ph.D. (člen)
Ing. David Svída, Ph.D. (člen)

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

Bakalářská práce se zabývá problematikou přímého spalování vodíku ve spalovacím motoru nákladního automobilu. Práce je rozdělena na rozsáhlou rešeršní část věnovanou vlastnostem vodíku, jeho výrobě, logistice a aplikacím v dopravě a na praktickou část zaměřenou na tvorbu a úpravu 1D simulačního modelu vodíkového motoru v prostředí GT-Suite.

Student k řešení práce přistoupil aktivně a prokázal schopnost samostatné práce. Oceňuji zejména snahu převést obecné poznatky z rešeršní části do praktického simulačního modelu nákladního motoru, včetně následné optimalizace a porovnání s referenčním dieselovým modelem.

Rešeršní část je zpracována v nadstandardním rozsahu pro bakalářskou práci. Autor popisuje fyzikální a chemické vlastnosti vodíku, jeho srovnání s konvenčními palivy, Well-to-Wheel analýzu, způsoby výroby a logistiky vodíku, základní koncepce vodíkových pohonů i příklady současných prototypů. Některé pasáže jsou však poměrně široké a místy odbíhají od hlavního tématu.

Hlavní přínos práce spočívá v praktické části, kde student upravil výchozí model vodíkového šestiválcového motoru v GT-Suite směrem k parametrům platformy Cummins X15H. Byly provedeny úpravy geometrických parametrů, topologie modelu, turbodmychadla a následně manuální i automatická optimalizace.

Výsledky jsou prezentovány přehledně, avšak některé závěry by měly být formulovány opatrněji vzhledem ke zjednodušení modelu a absenci experimentální validace. Určitým nedostatkem je také rozpor mezi teoreticky preferovaným přímým vstřikováním vodíku a použitím zjednodušeného PFI modelu v praktické části.

Formální a jazyková úroveň práce je slabší než její odborná část. V textu se objevuje větší množství pravopisných a stylistických chyb, překlepů, nejednotné terminologie a neopravených křížových odkazů. Grafická stránka práce je však celkově přehledná. Použití generativní AI je transparentně uvedeno a nepovažuji jej za důvod ke snížení hodnocení.

Cíle práce považuji za splněné. Student zpracoval aktuální téma, vytvořil funkční simulační model, provedl jeho optimalizaci a kriticky porovnal výsledky vodíkového a dieselového motoru. S ohledem na technickou náročnost praktické části, rozsah rešerše, samostatnost studenta a současně s přihlédnutím k uvedeným metodickým a formálním nedostatkům 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 C
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Lukáš Zeizinger, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zabývá přímým spalováním vodíku ve spalovacím motoru osobního automobilu. Téma je aktuální a odborně zajímavé, protože vodík představuje jednu z možných alternativních cest ke snižování emisní zátěže v dopravě při zachování koncepce spalovacího motoru. Práce formálně pokrývá hlavní části zadání, zejména rešerši možností spalování vodíku, porovnání vodíku a běžných paliv z hlediska výrobního a provozního řetězce a praktickou simulační část v prostředí GT-SUITE zaměřenou na porovnání benzínového a vodíkového motoru.

Pozitivně hodnotím, že autor se nevěnuje pouze samotnému spalování vodíku, ale zahrnuje také výrobu, skladování, přepravu, přípravu směsi, přímé a nepřímé vstřikování, problematiku NOx emisí a následně provádí simulační porovnání vybraných variant motoru. Praktická část v GT-SUITE představuje přínosnou část práce, protože přesahuje čistě rešeršní charakter a ukazuje schopnost studenta pracovat se simulačním nástrojem, upravovat model a interpretovat výstupy ve formě výkonových parametrů, měrné spotřeby, účinnosti, tepelných ztrát a emisí.

Práce však obsahuje i významnější metodické, věcné a formální nedostatky. Well-to-wheels porovnání není provedeno kvantitativně, simulační model není dostatečně podrobně dokumentován a použití parametrů ze vzorového šestiválcového PFI vodíkového motoru pro čtyřválcový DI motor je metodicky problematické. V práci se dále vyskytují věcné nepřesnosti, například u tyrkysového vodíku, nepřesné formulace o emisní neutralitě vodíku a slabší jazyková a formální úroveň textu. Celkově práci doporučuji k obhajobě, avšak vzhledem k uvedeným výhradám navrhuji hodnocení C – dobře.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout C
Grafic layout, used style and language level D
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. V rešeršní části uvádíte, že Cummins X15H využívá přímé vstřikování vodíku, ale v GT-Suite modelu je ponecháno PFI vstřikování. Jaký vliv má toto zjednodušení na výsledky výkonu, průběhu tlaku ve válci a emisí NOx?
  2. V práci uvádíte, že vodíkový model vykazuje výrazně nižší emise NOx než dieselový model. Jak by se výsledky změnily, pokud by byl do dieselového modelu zahrnut systém následné úpravy spalin, zejména SCR?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová