Bachelor's Thesis

Direct combustion of the Hydrogen in the combustion engine

Final Thesis 1.72 MB

Author of thesis: Bc. Lukáš Veger

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: Ing. Michael Böhm, Ph.D.

Reviewer: Ing. Matěj Poulíček

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the comparison of hydrogen as a fuel for an internal combustion engine against conventional fuels used in vehicles. The quantities compared are density, energy required for ignition, stoichiometric ratio, calorific value, octane number and flame propagation speed. The second part is devoted to the analysis of the implementation of hydrogen as a fuel for an internal combustion engine, both compression ignition and spark ignition. Important elements of prevention against hydrogen leakage or prevention of its concentration outside the combustion space were also described here.
A well-to-wheels comparison of hydrogen production using the SMR method, and the solar electrolysis method was conducted, where the energy consumption and the production of harmful emissions were compared. Furthermore, the parameters of individual drive systems were compared, which included a conventional petrol engine, an electric drive, a hybrid drive, a biofuel burning engine, a hydrogen combustion engine, and a hydrogen fuel cell. The monitored parameters were the production of carbon dioxide and sulfur dioxide emissions, energy efficiency and range.
Finally, the simulation compared a hydrogen spark ignition engine with a gasoline spark ignition engine. Gt-suite program was used. The monitored parameters were performance parameters, production of nitrogen oxide emissions, specific fuel consumption and the dependence of the course of pressure in the combustion chamber on the rotation of the crankshaft.

Keywords:

Hydrogen, internal combustion engine, Well-to-wheels

Date of defence

13.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval svou závěrečnou práci a odpověděl na otázky vedoucího i oponenta. Dále odpovídal na dotazy členů zkušební komise a to následovně: 1. Jaké nejčastější nečistoty jsou ve vodíku? - odpověděl 2. Jaký je stav vodíkových motorů ve srovnání s výsledky práce? - částečně odpověděl

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Automotive Engineering

Study programme

Engineering (B-STR-P)

Specialization

Machine and Equipment Construction (SSZ)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Porteš, Ph.D. (předseda)
Ing. Antonín Šťastný, Ph.D. (člen)
Ing. Jaroslav Kašpárek, Ph.D. (člen)
Ing. Michal Vaverka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D. (místopředseda)

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

Bakalářská práce má za cíl zpracovat problematiku přímého spalování vodíku v současných motorech osobních automobilů.

Práci v celkovém rozsahu 44 stran lze rozdělit na dvě části: teoretickou a praktickou zahrnující simulace v prostředí software GT-Suite.

Za nedostatek považuji fakt, že rešerší část má rozsah pouhých 17 stran, kdy autor čerpá celkově z malého množství zdrojů, ač zadání míří přímo na srovnání. Problematika spalování vodíku je v současnosti velmi aktuální téma a uvedené informace se tématu věnují poměrně stroze. Čtenář tak získá základní informace, nikoliv však hlubší náhled. Uvedená Well to wheel analýza pak je přepisem v podstatě jednoho článku. Ač informace jsou správné, určitě by bylo vhodné je srovnat s výsledky dalších výzkumných skupin.

Naopak velkým přínosem považuji část simulací v prostředí GT-Suite, kde student bez znalostí tohoto software ze studia zvládl zpracovat simulaci zkušebního jednoválce a popsat rozdíly v hoření jednotlivých paliv (vodík, benzín). Pro tvorbu těchto modelů bylo třeba porozumět termomechanice procesů.

Práce je přehledně strukturována a má logickou návaznost. Grafická úprava práce je v praktické části dobrá, v teoretické části jsou grafy nekonzistentní, obr. 5 dokonce přetéká zarovnání strany. Dalším nedostatkem je neoriginální titulní strana, kterou lze jednoduše stáhnout z IS. V obsahu je pak špatné zarovnání u názvů, které jsou delší než jeden řádek.

Práce obsahově plní všechny body zadání a taktéž požadavky kladené na bakalářskou závěrečnou práci. Na základě výše zmíněných nedostatků hodnotím práci výsledným hodnocením B/velmi dobře.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita C
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Matěj Poulíček

Cílem bakalářské práce pana Lukáše Vegera bylo komplexní studium spalování vodíku ve spalovacím motoru. Autor v první kapitole důkladně analyzoval současná řešení použití vodíku v dopravních prostředcích a provedl podrobné srovnání klíčových parametrů vodíku s konvenčními palivy, což poskytuje čtenáři široký přehled o výhodách a nevýhodách těchto paliv. Ve druhé kapitole podrobně popsal celý proces well-to-wheel výroby vodíku, včetně jeho technologických a ekonomických omezení. Výsledky své vlastní práce autor soustředil do třetí kapitoly, kde se zabýval simulacemi a optimalizacemi zážehového vodíkového motoru pomocí programu GT-Suite. V této části konkrétně porovnával výkonové parametry zážehových motorů spalujících vodík a benzín, přičemž se zaměřil na různé typy vstřikování paliva. Obsah této práce může být cenným přínosem pro další vývoj a optimalizaci vodíkových spalovacích motorů. V závěrečné části práce autor provedl kritické zhodnocení získaných informací a výsledků. Bakalářská práce obsahuje drobné stylistické chyby a nedostatky, zejména v oblasti formulace vět, které však nesnižují celkovou kvalitu a hodnotu práce. Zadání práce bylo splněno v celém rozsahu a je doporučena k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jaký má vliv použití znečištěného vodíku na spalovací motor, v porovnání s palivovým článkem?
  2. V kapitole 1.2.2 autor zmiňuje nevhodnost použití vodíku jako samostatného paliva pro vznětový motor z několika důvodů. Existuje však také technologie duálního vznětového motoru. Jaké výhody a nevýhody by podle vás tato technologie mohla přinést ve srovnání s čistě vodíkovým nebo čistě naftovým pohonem?
  3. Na obrázcích č.25 a 30 je v oblasti 2000 - 3000 min-1, patrný skokový nárůst hodnoty kroutícího momentu vodíkového motoru. Čím je tento jev způsobený? Jak by bylo možné průběh momentu v těchto oblastech linearizovat?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová