Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren sind Forscher mit der komplexen Aufgabe konfrontiert, strenge Schadstoffauflagen mit der Verbesserung des Motorwirkungsgrades zu kombinieren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist das Verständnis aller wesentlichen Merkmale des Verbrennungsprozesses von nöten. Der Prozess der Kraftstoffeinspritzung geht allen anderen vorraus und beeinflusst damit den gesamten Motor-Zyklus, von der Luft-Kraftstoff-Gemischbildung über die Verbrennung bis hin zum Emissionsverhalten. Die extremen Bedingungen innerhalb der Brennkammer macht die experimentelle Untersuchung komplex und teuer. Im Gegensatz dazu gibt eine CFD (Computational Fluid Dynamics) basierte Untersuchung umfassend Aufschluss über das Strömungsfeld und die Phänome der Verdampfung wie sie in Verbrennungskraftmaschinen auftreten.

In der vorliegenden Arbeit wird ein auf KIVA4-mpi aufbauendes CFD-Programm vorgestellt, das die Analyse des instationären Verhaltens von realistischen Motorkonfigurationen mittels Large Eddy Simulation (LES) und einem Spray Modul erlaubt. Das Programm beschreibt die Entwicklung des Spray über einen Euler-Lagrange Ansatz und berücksichtigt dabei den primären und sekundären Zerfall der Tropfen. Das Modell für den primären Tropfenzerfall basiert auf dem LISA Submodell (Linear Instability Sheet Atomization) wohingegen der sekundäre Tropfenzerfall über das TAB-Modell (Taylor Analogy Break-up) abgebildet wird. In Bereichen mit hoher Tropfenkonzentration hat die Tropfen-Tropfen-Interaktion einen starken Einfluss auf das dynamische Gesamtverhalten des Sprays. Die erste Neuerung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung der Tropfen-Tropfen-Interaktion mittels eines Kollisions-Submodells, das unabhängig von Feinheit und Struktur des Rechennetzes arbeitet. Berücksichtigt werden dabei unter anderem elastischer Stoß, Zerfall, verformter Zerfall, reflektierter Zerfall und die Vereinigung von Tropfen (Koaleszenz). Die Bildung des Wandfilms an der heißen Zylinderoberfläche ist ein kritischer Prozess in einem Motor, da er dessen Leistung und Emissionsverhalten beeinflusst. Die zweite Neuerung bezieht sich auf ein verbessertes Wandfilm-Modell, das die kombinierten Effekte von kinetischer Energie der Tropfen und Wandtemperatur in den KIVA4-mpi Code berücksichtigt.

Bei der Durchführung von Simulationen in Verbrennungsmotoren ist es wichtig ein Rechennetz mit hoher Qualität zu erzeugen. Zur Netzgenerierung der Motorgeometrie wurde in der vorliegenden Arbeit das Programm ICEM-CFD verwendet. Da KIVA4-mpi nur mit block-strukturierten Netzen ohne ``O-Grid'' angewendet werden kann, ist eine Netzverfeinerung nur bis zu einem gewissen Grad möglich. Dieser Sachverhalt macht es schwierig ein ausreichend feines Netz zu erzeugen, dass die Anforderungen der LES erfüllt. In der vorliegenden Arbeit wird eine neue Vernetzungstrategie vorgeschlagen, die es erlaubt geeigente Netze für Verbrennungsmotoren zu erzeugen. Die neue Methode ermöglicht eine deutlich bessere Auflösung des Strömungsfeldes im Brennraum. Dies wird verdeutlicht an, erstens, dem Vergleich von Simulationsergebnissen für den Fall ohne Krafteinspritzung und ohne Verbrennung mit experimentellen Daten eines transparenten Brennraums vom Engine Combustion Network (ECN). Zweitens wird durch weitere Simulationen der Entwicklung von verdampfendem Kraftstoffspray und der Interaktion mit der Wand die Bedeutung des Einspritzvorgangs herausgestellt. Drittens wird mittels der neuen Vernetzungsstrategie ein realistischer Verbrennungsmotor mit vier Ventilen abgebildet. Die Simulationsergebnisse werden mit den zur Verfügung stehenden experimentellen Daten gut verglichen.