Bachelor's Thesis

Direct combustion of the Hydrogen in the combustion engine

Final Thesis 3.39 MB

Author of thesis: Henrik Drozd

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michael Böhm, Ph.D.

Reviewer: Ing. Lukáš Zeizinger, Ph.D.

Abstract:

Emissions from hydrogen combustion are clearly dependent on the resulting air-fuel ratio, as well as on the actual mixture preparation process. Therefore, for the adaptation of hydrogen in an internal combustion engine, it is necessary to correctly set the time and course of its injection into the combustion chamber. In this way, it is possible to achieve the desired results in the form of reducing nitrogen oxide emissions and approaching the performance of modern gasoline-burning engines. The presented bachelors’s thesisdeals with well-to-wheels comparison of gasoline and hydrogen in the area of emissions during their production, transportation and adaptation for use in an internal combustion engine. It also examines the use of hydrogen as an alternative to achieving emission-free transport. The simulation performed in GT-SUITE indicates low emission production and higher efficiency of a hydrogen engine when working with a lean mixture compared to a conventional gasoline engine. The consequence of this improvement is a lower total power of the hydrogen engine. The main parameter influencing those characteristics is the air-fuel ratio used. For practical application, it is necessary to use advandced combustion and valve timing control, which will allow achieving optimal parameters of the hydrogen engine.

Keywords:

Well-to-wheels, hydrogen combustion, emissions during production, emissions during hydrogen combustion, hydrogen combustion simulation

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaDznamka

Grading

D

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem a výsledky své závěrečné práce. Následně zodpověděl otázky oponenta: 1) V práci používáte některé spalovací parametry ze vzorového šestiválcového PFI vodíkového motoru v GT-SUITE. Jaké omezení má použití těchto dat pro čtyřválcový přeplňovaný motor s přímým vstřikováním vodíku? Zodpovězeno 2) Proč má vodík nízkou spotřebu v g/kWh, ale současně problém se skladováním ve vozidle? Zodpovězeno Další otázky k závěrečné práci od členů komise: 1) Kolik kg vodíku spotřebuje osobním automobilem na 100 km, v případě přímého spalování vodíku? Zodpovězeno 2) Jaká je spotřeba u vozidel na vodík, ale s palivovými články? Částečně zodpovězeno 3) Lze přímo použít standartní benzínový motor pro přímé spalování vodíku? Částečně zodpovězeno 4) Kolik energie potřebujete na stlačení vodíku do použitelné formy vodíku? Zodpovězeno 5) Počítá se s procesem stlačení vodíku v účinnosti? Částečně zodpovězeno 6) Parametry do modelu hoření jste získal kde? Částečně zodpovězeno 7) Jaký typ vtřikování jste použil? Zodpovězeno 8) Co je hodnota čas vstřiku? Zodpovězeno 9) Na základě čeho jste vyhodnotil nevhodnost standartních střikovačů? Nezodpovězeno 10) Jak by se uživatelsky odlišně projevoval upravený benzínový motor na vodík? Částečně zodpovězeno 11) Co bylo cílem optimalizace motoru? 12) Popište problematické emise při spalování vodíku. Částečně zodpovězeno 13) Jaké jsou hlavní produkty spalováním vodíku? Zodpovězeno 14) Kam může prostupovat vznikající voda při spalování? Zodpovězeno 15) Jak zabránit ředění mazacího oleje vodou? Částečně zodpovězeno 16) Popiště proces míchání oleje a vody. Zodpovězeno 17) U přímého vstřikování benzínu je palivové čerpadlo, jak je je nahrazeno u vstřikování vodíku? Částečně zodpovězeno 18) Jaká je telota kapalného vodíku v běžném stavu? Zodpovězeno

Language of thesis

Slovak

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 se zabývá problematikou přímého spalování vodíku ve spalovacím motoru osobního automobilu. Práce je rozdělena na rešeršní část věnovanouvodíku jako palivu a na praktickou část obsahující jednoduché simulační porovnání benzínového a vodíkového motoru v prostředí GT-SUITE.

Rešeršní část pokrývá základní vlastnosti benzínu a vodíku, možnosti výroby vodíku, skladování a přepravy paliv a vybrané konstrukční aspekty vodíkových spalovacích motorů. Slabší stránkou rešerše je její nevyváženost, protože některé obecné kapitoly jsou popsány rozsáhle, zatímco problematika přímo navazující na simulační model není dostatečně rozpracována.

Hlavní vlastní část práce tvoří simulační porovnání benzínového a vodíkového motoru v GT-SUITE. Autor vychází ze čtyřválcového přeplňovaného benzínového motoru a pro vodíkovou variantu využívá některé parametry převzaté ze vzorového vodíkového modelu. Výsledky ukazují očekávaný vliv bohatosti směsi na výkon, účinnost a produkci emisí NOx.

Za hlavní nedostatek považuji nedostatečný popis metodiky praktické části. Chybí přesný popis provedených úprav, použitých okrajových podmínek a způsobu optimalizace. Práce neobsahuje validaci modelů, a proto je nutné výsledky chápat pouze jako orientační porovnání výpočtových variant..

Formální a jazyková úroveň práce je podprůměrná. Slovenský jazyk práce nehodnotím, text však obsahuje větší množství překlepů, neobratných formulací a odborně nepřesných výrazů. Výrazným nedostatkem je také chybné číslování obrázků a nepřesnosti v seznamu zkratek. Chybí číslování rovnic a pro násobení se nepoužívá symbol hvězdičky. Otáčky mají jednotku 1/min dle SI. Také není vhodné uvádět hodnoty na mnoho desetinných míst (tab. 5).

Práce s literaturou také vykazuje chyby. Umístění citací v textu je provedeno špatně, často jsou velké části textu převzaty pouze z jednoho zdroje.

Není zmíněno využití generativní AI, či obdobných nástrojů, avšak práce nevykazuje výrazné znaky, že by pomocí těchto nástrojů byla větší část práce tvořena. 

Cíle práce považuji za splněné pouze v základním rozsahu. Student zpracoval rešerši, provedl jednoduchou simulaci v GT-SUITE a porovnal vybrané parametry benzínového a vodíkového motoru. Odborná hloubka praktické části, úroveň interpretace výsledků a formální kvalita práce jsou však slabší.

Práci doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením D / uspokojivě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita D
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: D

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 relevantní, protože vodík představuje jednu z možných alternativních cest ke snižování emisní zátěže dopravy při zachování koncepce spalovacího motoru. Práce formálně pokrývá hlavní oblasti 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 lze hodnotit, že autor se nevěnuje pouze samotnému spalování vodíku, ale zahrnuje také výrobu, skladování, přepravu, přímé a nepřímé vstřikování, přípravu směsi a problematiku emisí NOx. Přínosná je také snaha o vytvoření simulační části v prostředí GT-SUITE, která přesahuje čistě rešeršní charakter práce. Autor prokázal základní schopnost práce s odbornou literaturou a simulačním modelem a pokusil se vyhodnotit vliv použití vodíku na výkonové parametry, měrnou spotřebu, tepelnou účinnost a emise.

Práce však vykazuje významné metodické, věcné i formální nedostatky. Deklarované well-to-wheels porovnání benzínu a vodíku není provedeno kvantitativně, chybí tedy číselné srovnání například v jednotkách g CO₂ ekv./km, g CO₂ ekv./MJ nebo pro konkrétní provozní scénář. Simulační model v GT-SUITE není dostatečně popsán z hlediska struktury modelu, okrajových podmínek, nastavení spalování, vstřikování a způsobu řízení směsi. Problematické je také převzetí parametrů ze vzorového šestiválcového PFI vodíkového motoru a jejich použití pro čtyřválcový přeplňovaný motor s přímým vstřikováním, aniž by byla tato aproximace dostatečně zdůvodněna. V práci se dále objevují věcné chyby, například nesprávné tvrzení, že při výrobě tyrkysového vodíku vzniká tuhý oxid uhličitý místo tuhého uhlíku, nepřesné vysvětlení nižší měrné spotřeby vodíku a nevhodné označení simulovaných emisí jako „naměřených“. Formální úroveň práce snižují četné překlepy, jazykové nepřesnosti a chyby v číslování obrázků. Práci doporučuji k obhajobě, avšak vzhledem k uvedeným výhradám navrhuji hodnocení D – uspokojivě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání D
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod D
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry D
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii D
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis D
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V práci používáte některé spalovací parametry ze vzorového šestiválcového PFI vodíkového motoru v GT-SUITE. Jaké omezení má použití těchto dat pro čtyřválcový přeplňovaný motor s přímým vstřikováním vodíku?
  2. Proč má vodík nízkou spotřebu v g/kWh, ale současně problém se skladováním ve vozidle?

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová