Feinstaub hat schädliche Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit. Ein wesentlicher Teil der anthropogenen Feinstaubquellen stammt aus dem Verkehrssektor. Aus diesem Grund gelten weltweit gesetzliche Grenzwerte zur Begrenzung der Feinstaubemissionen. Teil der EU-Gesetzgebung ist seit 2017 auch die Prüfung der sogenannten Real Driving Emissions (RDE), also der Emissionen im praktischen Fahrbetrieb auf der Straße. Die Einhaltung der Grenzwerte nach diesen neuen Normen kann nicht nur durch die Optimierung der Partikelemissionen im stationären Motorbetrieb erreicht werden, sondern erfordert auch die Berücksichtigung der Partikelemissionen im hochdynamischen Motorbetrieb. Aus diesem Grund rücken hochdynamische transiente Motorszenarien immer mehr in den Fokus aktueller Forschung und Entwicklung. Während sich die 3D-CFD (Computational Fluid Dynamics) als Entwicklungswerkzeug in der Motorenentwicklung insbesondere für stationäre Betriebspunkte etabliert hat, wird sie für instationäre Betriebspunkte nur selten oder gar nicht eingesetzt. Dies liegt zum einen an der mangelnden Verfügbarkeit geeigneter Modelle zur Analyse der relevanten Phänomene entlang der gesamten motorischen Wirkkette. Zum anderen sind die für die 3D-CFD notwendigen Randbedingungen in der Regel nicht ausreichend genau charakterisiert. Hinzu kommt der enorm hohe Rechenaufwand bei der Berechnung konsekutiver Motorzyklen.

Nichtsdestotrotz kam es in den vergangen Jahren zu einer stetigen Weiterentwicklung verfügbarer Methoden und Modelle. Zusammen mit der kontinuierlichen Zunahme der verfügbaren Rechenressourcen ist die 3D-CFD Simulation von instationären Motorszenarien immer greifbarer geworden. In dieser Arbeit soll deshalb demonstriert werden wie mit den aktuell verfügbaren Modellen und Ressourcen die 3D-CFD Simulation zur Analyse der Partikelemissionen in transienten Motorszenarien eingesetzt werden kann. Hierzu wird zunächst ein vollständiges Framework zur Simulation von Rußpartikelemissionen in einem direkteinspritzenden Verbrennungsmotor vorgestellt. Das Framework, bestehend aus einer Reihe teils motorspezifischer Submodelle, wird um ein detailliertes QMOM (Quadrature Method of Moments) Rußmodell erweitert, um eine genaue Abbildung der Partikelbildungskette zu gewährleisten. Die Evaluierung des Frameworks erfolgt am stationären Betriebspunkt eines optisch zugänglichen Forschungsmotors und auf Basis verfügbarer Rußlumineszenz- und Extinktionsmessungen. In einem nächsten Schritt wird das Framework für die Simulation von konsekutiven Mehrzyklussimulationen und die Anwendung in transienten Motorszenarios erweitert. Der Fokus liegt dabei auf der genauen Charakterisierung des transienten Szenarios in der virtuellen Motorumgebung. Bestandteile dieser Erweiterung sind die Einführung einer Methodik zur Mittelung multipler Prüfstandsrealisierungen, eine modifizierte 1D-Ladungswechselanalyse zur Berechnung kurbelwinkelaufgelöster Randbedingungen sowie eine Parallelisierungsstrategie zur effizienten Berechnung konsekutiver Motorzyklen. Das erweiterte Framework wird schließlich auf ein RDE-relevantes und rußemissionskritisches transientes Fahrszenario angewendet um die Partikelentstehung zu untersuchen. In einer Wirkungskettenanalyse auf Basis von 30 aufeinanderfolgenden Motorzyklen werden die Ursachen für erhöhte Partikelemissionen identifiziert. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend genutzt, um Optimierungspotenziale zu identifizieren. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit ein umfassendes Framework zur Untersuchung der Rußpartikelbildung im transieten Motorbetrieb direkteinspritzender Ottomotoren präsentiert. Das Framework eignet sich in Kombination mit experimentellen Untersuchungen als diagnostisches Werkzeug zur Identifikation und Analyse der Ursachen erhöhten Rußpartikelaufkommens und zur Ableitung von Optimierungspotenzialen individueller Szenarien.