Bachelor's Thesis

Design of the Exhaust Manifold for the Nissan SR20DE SI Engine

Final Thesis 2.51 MB

Author of thesis: Bc. Ľuboš Hájek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Martin Beran

Reviewer: Ing. David Svída, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design and optimisation of an exhaust manifold for the naturally aspirated spark-ignition engine Nissan SR20DE, intended primarily for hobby motorsport applications. The theoretical part analyses the principles of pressure wave propagation in the exhaust tract and their utilisation to increase the volumetric efficiency of the engine through the scavenging effect. A reference 1D engine model was built in the Lotus Engine Simulation software environment and validated against the real factory power curve. On this basis, two exhaust manifold design concepts – a 4-1 and a 4-2-1 configuration – were proposed, iteratively optimised and mutually compared. Simulation results demonstrated that both proposed concepts clearly outperform the factory exhaust system as well as a commercially available aftermarket alternative. The 4-2-1 configuration with primary pipes of 493 mm length and 41 mm inner diameter and secondary pipes of 993 mm length and 54 mm inner diameter was identified as the optimum solution, achieving a peak power output of 132.70 kW, representing an increase of nearly 9 kW over the factory state.

Keywords:

exhaust manifold, spark-ignition engine, Nissan SR20DE, Lotus Engine Simulation, 1D simulation, pressure waves, scavenging effect, motorsport

Date of defence

10.06.2026

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: 1. Jak student získal průběh výkonu a momentu uvedených v grafu 2? 2. Odpovídají hodnoty reálného předstihu zážehu hodnotám v matematickém modelu? 3. Na základě jakého předpokladu se student domníval, že ponecháním předdefinovaných parametrů (například modely v kapitole 5, povrchy hlavy v kapitole 6.1 atd.) simulačního modelu, mu vyjdou reálné parametry motoru Nissan SR20DE? Dále odpovídal na otázky členů komise: 1. Z jakého důvodu jste si zvolil použitý software? (zodpovězeno) 2. Jak byste stanovil průtokové součinitele hlavou motoru? (zodpovězeno) 3. Jak jste řešil stanovení parametrů, jejichž exaktní hodnoty nebyly dostupné? (zodpovězeno) 4. Jak jste stanovil zráty motoru? (částečně zodpovězeno) 5. Proč jste v modelu neuvažoval katalyzátor a tlumič výfuku? (zodpovězeno)

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

doc. Ing. Zdeněk Kaplan, CSc. (předseda)
Ing. Kamil Řehák, Ph.D. (místopředseda)
Ing. David Svída, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Fojtášek, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Janoušek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Beran

Pan Ľuboš Hájek projevoval o zadané téma velký zájem. Přestože konzultace probíhaly spíše sporadicky, na bakalářské práci pracoval kontinuálně a  problematiku intenzivně studoval. Na připomínky vedoucího reagoval adekvátně. V práci se sice vyskytuje několik nepřesností a zjednodušení, která pramenila z potřeb výpočetního modelu a nedostupnosti reálných parametrů konkrétního motoru (např. parametrů modelu hoření, průtokových koeficientů hlav válců či některých obtížně zjistitelných geometrických rozměrů), což mohlo ovlivnit absolutní hodnoty výsledků. Je potřeba podotknout, že konkrétní motor si student zvolil z vlastní iniciativy o to je více zarážející, že k němu nedokázal zjistit kvalitní vstupní informace jako vnější otáčková charakteristika, která je stěžejní pro kalibraci výpočetního modelu. Metodicky však student postupoval správně. V rámci řešení práce se podrobně seznámil s principy tvorby 1D simulačního modelu v prostředí Lotus Engine Simulation a prokázal schopnost samostatné tvůrčí činnosti. Student splnil cíle zadání, a proto práci doporučuji 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 C
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
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. David Svída, Ph.D.

Bakalářská práce pana Luboše Hájka se zabývá návrhem výfukového potrubí zážehového motoru Nissan SR20DE.
V úvodních kapitolách 1 a 2 student jasně popisuje požadavky na výfukové potrubí zážehových motorů s přirozeným sáním a jeho konstrukci.
Pro další krok student správně zvolil postup, kdy nejprve vytvořil matematický model sériového motoru, ze kterého poté vycházel při návrhu nového výfukového potrubí. Jako hodnoticí kritérium matematického modelu sériového motoru si zvolil vnější otáčkovou charakteristiku (graf 2). Jako její zdroj je uvedena tabulka 1, která ovšem obsahuje pouze dva body. Kde se tedy celý zobrazený průběh vzal, zůstává otázkou.
Protože student neměl k dispozici žádná data ohledně průběhu hoření směsi ve válci, musel si vystačit s doporučenými hodnotami uvedenými v simulačním programu. V tomto ohledu se student dopustil nepřesnosti – měl si zjistit reálnou hodnotu předstihu zážehu (teoreticky bod 0 % vývinu tepla) a porovnat ji s hodnotami v programu. Další nepřesnosti se dopustil při stanovení parametru „Exposed Liner“ (v doslovném překladu „odkrytý válec“), což vyjadřuje výšku válce, která není krytá pístem v horní úvrati, respektive pístními kroužky. Ve skutečnosti se tedy jedná o uvedených 1,2 mm plus výšku horního můstku na pístu.
Je chybou a škodou, že se student nepokusil alespoň v několika iteracích zvýšit shodu reálného a vypočteného průběhu výkonu na základě jejich porovnání. Oponent nesouhlasí s tvrzením v kapitole 6.5, že vzniklý rozdíl je akceptovatelný. O to závažnější je, že další závěry vycházejí právě z předpokladu, že matematický model poskytuje věrohodné výsledky.
Pokud budeme akceptovat číselné výsledky pro ostatní varianty výfukových svodů, lze se studentovými závěry obecně souhlasit.
Student zvolil vhodné informační zdroje a prokázal, že dokáže správně technicky uvažovat.
Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods C
Scholarly contribution and originality C
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory C
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Topics for thesis defence:
  1. Jak student získal průběh výkonu a momentu uvedených v grafu 2?
  2. Odpovídají hodnoty reálného předstihu zážehu hodnotám v matematickém modelu?
  3. Na základě jakého přepodkladu se student domníval, že ponecháním předdefinovaných parametrů (například modely v kapitole 5, povrchy hlavy v kapitole 6.1 atd.) v simulačního modelu, mu vyjdou reálné parametry motoru Nissan SR20DE?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová