Durch die immer striktere Gesetzgebung bezüglich der Emissionen von Verbrennungsmotoren wird die Entwicklung prädiktiver Modelle für die Simulation von Motoren mit direkter Benzin-einspritzung (GDI-Motor) zunehmend wichtiger. Diese Arbeit konzentriert sich zunächst auf die Entwicklung robuster Lagrange-Modelle und eine umfassende Untersuchung der zugrundeliegenden Physik unter verschiedenen Betriebsbedingungen in einer Kammer mit konstantem Volumen. Diese reichen von frühen bis späten Einspritzbedingungen. Die Lagrange-Modelle werden dann erweitert, um die Wechselwirkung von Spray und wandnaher Strömung in einer Simulation von einem Motorenprüfstand zu bewerten, wobei frühe Einspritzbedingungen realer GDI-Motoren simuliert werden.

Das Konzept dieser Modelle basiert auf einer direkten numerischen Simulation (DNS) der Injektor-Innenströmung. Diese zeigt, dass das flüssige Spray nahe des Injektor-Einspritzlochs vollständig zerstäubt wird. Folglich spielen Faktoren wie die Deformation und die sekundäre Zerstäubung der Tropfen eine bedeutende Rolle in der Ausbreitung des Sprays. Die Anwendbarkeit und Genauigkeit der Modelle werden sorgfältig gegen experimentelle Daten validiert, einschließlich der Flüssig- und Dampfphasen, die zuvor mittels DBI und Schlieren-Messungen experimentell ermittelt wurden.

Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Arbeit betrifft die Untersuchung verschiedener Modelle hinsichtlich der Tropfenverteilung. Die Verwendung der Blob-Methode, bei der davon ausgegangen wird, dass die initiale Tropfengröße gleich dem Durchmesser des Injektors ist, ermöglicht eine gute Erfassung globaler Eigenschaften, wie zum Beispiel der Länge des flüssigen Sprayeintrags. Die Methode neigt jedoch dazu, eine verzögerte Verdampfung und Zerstäubung vorauszusagen, was zu einer unphysikalisch spitzen Ausbildung der Einspritzung stromabwärts führt. Um zukünftige Szenarien mit Kraftstoffgemischen(z.B. Benzin und E-Fuels) zu berücksichtigen, wurden die Modelle erweitert, um mehrkomponentige Kraftstoffe simulieren zu können. Die erfolgreiche Simulation eines dreikomponentigen Benzinersatzstoffes (E00) zeigt die Fähigkeit der Modelle, sowohl die allgemeinen Eigenschaften der Einspritzung als auch die räumliche Verteilung von hoch- und niedrigsiedenden Kraftstoffkomponente vorauszusagen.

Darüber hinaus befasst sich diese Forschungsarbeit mit der komplexen Wechselwirkung von Spray und wandnaher Strömung in einer Kammer mit konstantem Volumen unter Kaltstartbedingungen. Die Simulation reproduziert die charakteristischen Strömungsbilder aus den experimentellen Daten, wie z. B. wandnahe Strahlströmungen und Wirbel, die durch die Spray-Wand-Wechselwirkung induziert werden. Zusätzlich wird in der Simulation das Phänomen der Spraykühlung, die durch luftvermischungsgetriebene Verdunstung entsteht, genau widergespiegelt. Die simulierten Temperaturen stimmen eng mit Ergebnissen einer 0-D-Analyse überein und zeigen einen Temperaturabfall von etwa 20 K. Obwohl die Simulation eine zu hohe Wandwärmeübertragung aufgrund der konstanten Wandtemperaturrandbedingung aufweist, stimmt sie mit den experimentellen Daten hinsichtlich der durchschnittlichen Wandfilmdicke (40 mm von der Injektorspitze entfernt) überein.

Um die Spray-Wand-Strömung-Interaktion in einem GDI-Motor umfassend zu untersuchen, ist ein gutes Verständnis der Zylinderinnenströmung während der Ansaugphase unerlässlich. Daher wird eine wandauflösende Large-Eddy-Simulation (LES) durchgeführt, um die Freistrom- und Wandturbulenz innerhalb des Durchfluss-Motorenprüfstand zu untersuchen. Hier kann die inhärente Komplexität der realen Motorströmung vereinfacht werden (z. B. keine Kolbenbewegung), um eine effizientere Bewertung der Ansaugströmung zu ermöglichen. Die simulierten großskaligen Bewegungen und Turbulenzstrukturen im Zylinder stimmen gut mit den experimentellen Referenzdaten aus der Particle Image Velocimetry (PIV) überein. Eine Analyse der Turbulenzanisotropie zeigt, dass die Turbulenz stark in Richtung einer achsensymmetrischen Expansion und Kontraktion ausgerichtet ist. Dies ist auf das spezielle typologische Muster der Motorströmung zurückzuführen, welche durch einen Tumble-Wirbel und die Ventilumströmung gekennzeichnet ist.

Nicht-Gleichgewichtseffekte in der Wandnähe wurden durch die Analyse des wandnahen Budgets der turbulenten kinetischen Energie sowie des Druckgradienten untersucht. Besondere Aufmerksamkeit wurde dem Bereich des Einlassventils und der Zylinderwand gewidmet. Die Auswirkungen des durch die Einlassströmung mit hoher Reynoldszahl induzierten Druckgradienten variieren in verschiedenen Bereichen und weisen darauf hin, dass der klassische Modellansatz mit Wandfunktion, der auf der klassischen Grenzschichttheorie mit Null-Druckgradient basiert, für die Anwendung in der Verbrennungsmotor-Simulation möglicherweise nicht mehr gültig ist.

Schließlich werden die aus der Studie gewonnenen Erkenntnisse zur Charakterisierung der Spray-Wand-Strömung-Interaktion in einem Durchfluss-Motorprüfstand bei verschiedenen Massenströmen verwendet. Mit steigendem Massenstrom nimmt die Spray-Strömungs-Wechselwirkung zu, und das heterogene Verhalten der Spraykegel prägt sich stärker aus. Spray-Kegel, die entlang der Einlassströmung ausgerichtet sind, zeigen eine höhere Penetration und eine geringere Verdampfung. Im Gegensatz dazu zeigen die Kegel, die nicht mit der Einlassvent.