Master's Thesis

Design of a hybrid hydrogen-diesel internal combustion engine

Final Thesis 3.29 MB Appendix 105.97 kB

Author of thesis: Bc. Jan Jílek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Matěj Poulíček

Reviewer: Ing. Pavel Ramík

Abstract:

This master’s thesis deals with the design of a hybrid hydrogen–diesel internal combustion engine. The main objective of the thesis is to design an internal combustion engine capable of operating in both spark-ignition and compression-ignition modes and to perform simulations of the hybrid engine under various operating conditions. The introduction includes a review of hydrogen properties as a fuel and methods of its production, followed by an analysis of compression-ignition and spark-ignition engines. Then, there are proposed design modifications of selected engine to enable the implementation of hydrogen system. Based on the proposed design, thermodynamic models were developed and used for comparison in terms of economic aspects, performance parameters, and emissions. The thesis further evaluates the practical feasibility and commercialization potential of the proposed solution.

Keywords:

hydrogen, internal combustion engine, compression–ignition engine, spark–ignition engine, detonation combustion (knock), thermodynamic model, emissions

Date of defence

16.06.2026

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) Jsou spalovací motory po většinu svého provozu provozovány na vnější otáčkové charakteristice při plném zatížení nebo při částečných charakteristikách? Mohlo by toto být podpůrným argumentem pro použití vodíkové varianty vykazující menší výkon? Zodpovězeno. 2) Je podle názoru diplomanta odůvodněné obávat se nebezpečí vyplývajícího z použití vodíkového palivového systému (zejména nádrží) v některých situacích u vozidel pro obranné (tj. vojenské) aplikace? Zodpovězeno. 3) Je diplomantu známa nějaká možnost ověřit v budoucnu simulovaný průběh průběhu spalovacích tlaků (obr. 29) a další parametry vodíkové varianty v laboratorních podmínkách ÚADI? Zodpovězeno. 4) Jaký postup by diplomant navrhoval pro další zpřesnění návrhu a navazující vývojové práce? Zodpovězeno. Další otázky k závěrečné práci od členů komise: 1) Jaké jiné náklady by bylo potřebné zohledit pro relevantní cenový odahd úprav. Částečně zodpovězeno. 2) Jakým způsobem dokladujete svůj návrh pro úpravu motoru? Nezodpovězeno. 3) V jakých režimech se předpokládá provoz upraveného motoru? Zodpovězeno. 4) Lze věřit pouze závěrům z provedených simulací? Zodpovězeno. 5) Lze v literatuře dohleat problémy spojené s úpravou těchto motorů? Zodpovězeno. 6) V jakém stavu je infrastruktura pro tankováná vodíku? Zodpovězeno. 7) Zohlednil jste v celkové účinnosti i ztráty potřebné ke stlačení paliva? Zodpovězeno. 8) Za jakých podmínek jsou prezentované vlastnosti vodíku v prezentované tabulce? Částečně zodpovězeno. 9) Jak jsou svázány vlastnosti plynu, jakou rovnicí? Částečně zodpovězeno. 10) Podle čeho jste nastavil Vibeho funkci? Popište postup. Zodpovězeno. 11) Proč při úniku z nádrží vodík rychle stoupá nahoru? Nezodpovězeno. 12) Proč byl zvolen motor Tatra? Zodpovězeno. 13) Která součást motoru bede nejvíce tepelně namáhána? Zodpovězeno. 14) Jaká technologie sníží teplotu spalování? Částečně zodpovězeno.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Automotive Engineering

Study programme

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

Composition of Committee

prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Lubomír Klimeš, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Vojtěch Trusík (člen)
Ing. Jiří Bazala, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Šopík (člen)
Ing. Tomáš Heger (člen)

Supervisor’s report
Ing. Matěj Poulíček

Diplomová práce pana Jílka se zabývá návrhem hybridního vodíkovo-naftového spalovacího motoru a dělí se na rešeršní část a vlastní řešení zahrnující návrh konstrukčních úprav a tvorbu tří termodynamických modelů.

Rešeršní část je zpracována vhodně a poskytuje dostatečný teoretický základ pro vlastní řešení. Autor prokazuje dobrou orientaci v problematice vlastností vodíku jako paliva i v konstrukci obou typů motorů, přičemž důsledně klade důraz na aspekty relevantní pro řešenou úlohu.

Z hlediska metod autor zvolil tvorbu tří vzájemně konzistentních modelů v prostředí GT-Suite, což umožnilo objektivní porovnání vlivu konstrukčních úprav i změny paliva. Vlastní přínos spočívá zejména v návrhu konstrukčních úprav a v samostatné kalibraci modelů.

Cíle práce dle zadání byly splněny ve všech bodech. Autor si uvědomuje limity své práce vyplývající ze značných zjednodušení a nedostatku vstupních dat, a tato omezení v závěru otevřeně a kriticky pojmenovává. Ekonomická a investiční analýza zůstává spíše na úrovni odhadů, což je vzhledem k nedostupnosti cenových údajů od výrobců pochopitelné.

K práci mám výhrady především k formální stránce – text obsahuje opakované překlepy a stylistické nedostatky, místy i věcně matoucí (záměna „prediktivní/neprediktivní" model). Objevují se rovněž drobné nepřesnosti v uváděných hodnotách a jednotkách některých veličin a místy nejednotně prezentovaná čísla, které by pečlivější korektura odstranila.

Práce jako celek splňuje požadavky kladené na diplomovou práci a student prokázal schopnost samostatně řešit komplexní inženýrský problém a kriticky interpretovat dosažené výsledky. Tím ji doporučuji k obhajobě s výslednou známkou B.
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 C
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 B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Pavel Ramík

Diplomová práce Bc. Jana Jílka přináší pro praxi užitečně zpracovanou studii možnosti přestavby vznětového motoru na hybridní dvoupalivový motor umožňující kromě motorové nafty rovněž spalování vodíku. V úvodní rešeršní části práce jsou kromě vlastností vodíku jako paliva a možností jeho výroby také zpracovány základy termodynamiky a konstrukční vlastnosti vznětových a zážehových motorů. Přestože se jedná o obecně známé skutečnosti, je toho vhodným východiskem pro další práce na návrhu hybridní varianty motoru. Je potřeba říci, že tato část je zpracována účelně a přehledně.

Implementace vodíkového systému do vznětového motoru je z konstrukčního hlediska vhodně navržena. Diplomat si je přitom vědom omezení možností, které vyplývají z neznalosti některých parametrů a z nutných zjednodušení (tvarování pístu, začlenění turbodmychadla do výpočtového modelu atd.) ve fázi prvotního konstrukčního návrhu, který je náplní práce. Provedený návrh s použitím dvou zapalovacích svíček pro provoz na vodíkové palivo je z konstrukčního hlediska odůvodněný.

Tvorba termodynamických modelů, kdy je nejdříve sestaven a naladěn model stávající vznětové varianty, byť je přitom využito pouze charakteristik v režimu maximálního točivého momentu a maximálního výkonu na vnější charakteristice motoru, a v návaznosti na to je sestaven termodynamický model vznětové a vodíkové varianty konstrukčně upraveného motoru za použití vhodných submodelů software GT-Power, je logickým postupem.

Výsledky simulací, ať již se týkají výkonových či emisních parametrů, odpovídají teoreticky očekávaným známým trendům a hodnotám, které by bylo při dalším vývoji možno upřesňovat.

Závěr práce je z části rekapitulací provedeného postupu, jako stěžejní vidím i skutečnosti uvedené v kapitole 9.4.4. Celkové hodnocení. Se skutečnosti uvedenými ve zhodnocení výsledků a v závěru práce lze souhlasit, hodnocení je pro praxi reálné.

Práce je po stránce stylistické na dobré úrovni, technické vyjadřování studenta je věcné a názorné. Po formální stránce práce vykazuje některé formální nedostatky, např. popis v grafech není plně v jazyce práce, tab. 5 a je nevhodně rozdělena na více stránek (záhlaví a hodnoty zvlášť), atd.

Cíle práce dané zadáním byly v práci splněny v celém rozsahu, diplomovou 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 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 C
Topics for thesis defence:
  1. Je podle názoru diplomanta odůvodněné obávat se nebezpečí vyplývajícího z použití vodíkového palivového systému (zejména nádrží) v některých situacích u vozidel pro obranné (tj. vojenské) aplikace?
  2. Je diplomantu známa nějaká možnost ověřit v budoucnu simulovaný průběh průběhu spalovacích tlaků (obr. 29) a další parametry vodíkové varianty v laboratorních podmínkách ÚADI?
  3. Jaký postup by diplomant navrhoval pro další zpřesnění návrhu a navazující vývojové práce?
  4. Jsou spalovací motory po většinu svého provozu provozovány na vnější otáčkové charakteristice při plném zatížení nebo při částečných charakteristikách? Mohlo by toto být podpůrným argumentem pro použití vodíkové varianty vykazující menší výkon?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová