Die Umwandlung von chemischer Energie in mechanische Arbeit mit Hilfe von Verbrennungsmotoren ist eine essentielle und weit verbreitete Energiequelle im Individualverkehr und dem Gütertransport. Trotz der stetigen Verbesserung dieser Motoren in den letzten Jahrzenten, tragen sie immer noch erheblich zu den weltweiten Schadstoff- und Treibhausgasemissionen bei. Die Steigerung ihrer Effizienz und weitere Reduktion der auftretenden Emissionen ist daher von großer Bedeutung. Diese Aufgabe ist alles andere als trivial, da ein breites Spektrum physikalischer Phänomene, von instabilen turbulenten Mehrphasenströmungen, über die Entzündung des Gemisches bis hin zur Verbrennung, in einer innermotorischen Wirkkette zusammenspielt. Da es schwierig ist, ein einzelnes Phänomen isoliert zu betrachten, ist es bei Untersuchungen am Verbrennungsmotor notwendig, mehrere Forschungsbereiche in einem multidisziplinären Ansatz zu kombinieren. In diesem Zusammenhang können insbesondere numerische Untersuchungen bereits etablierte experimentelle Analysen unterstützen. Numerische Simulationen bieten im ergänzend zu Experimenten die Möglichkeit Phänomene im Motor zu betrachten, die durch Messtechnik nur schwer zu erfassen sind. In dieser Arbeit wird eine numerische Methode für Verbrennungsmotorensimulationen mit Augenmerk auf Genauigkeit, Flexibilität, Stabilität und numerische Effizienz entwickelt. All diese Eigenschaften sind für die Anwendung multidisziplinärer Motoranalysen im akademischen aber auch industriellen Umfeld notwendig. Mit dem entwickelten Framework werden eine Reihe von numerischen Untersuchungen über innermotorische Phänomene vor der Zündung am optisch zugänglichen Forschungsmotor der TU Darmstadt durchgeführt. Eine neue Methode für die Netzbewegung wird entwickelt, die in komplexen Motorgeometrien verwendet werden kann. Diese Methode ist so konzipiert, dass sie mit minimalem Aufwand eine maximale Genauigkeit für RANS und LES Simulationen gewährleistet. Aus den Untersuchungen werden außerdem Methoden für das Pre-processing von Multizyklussimulationen und deren Ergebnisanalyse abgeleitet. Dieses Vorgehen wird anhand mehrerer RANS- Simulationen eines Arbeitsspiels des Motors anhand verschiedener geschleppter Betriebspunkte validiert. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit die Spraydynamik einschließlich des Sprayaufpralls sowie die Ausbildung und Entwicklung des Wandfilms untersucht. Beides ist für die Vorhersage der Kraftstoff-Luft-Gemischbildung von hoher Relevanz. Hierfür werden Simulationen des Darmstadt Motors mit dem ECN Spray G Injektor bei verschiedenen geschleppten Betriebspunkten durchgeführt und das Gemisch vor dem Zündzeitpunkt analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass mit geringerer Motorlast der Luftwiderstand und damit auch das Aufbrechen des Sprays reduziert wird. Hierdurch kann eine erhöhte Wandbenetzung festgestellt werden. Bei erhöhter Motordrehzahl nimmt die Schichtung ab. Ein neues Modell für den Zerfall des Kraftstoffstrahls wird vorgeschlagen und angewendet. Dieses ist insbesondere für die Vorhersage der Sprayentwicklung während des Ansaugtakts (frühe Einspritzung) geeignet. Das neu entwickelte Modell reduziert die Anzahl der durch den Nutzer anzupassenden Parameter, wodurch die Zuverlässigkeit der Simulation gesteigert wird. Um die Simulation mit experimentellen Mie-Streuungsmessungen zu vergleichen, wird eine neuartige Post-Processing- Routine eingesetzt, durch die ein direkter Vergleich ermöglicht wird. Eine zufriedenstellende Übereinstimmung in Bezug auf Endringtiefe, Asymmetrie und der Geschwindigkeitsfelder kann in der Motorsimulation aufgezeigt werden. Zudem wird die Simulation auf verschiedenen Schnittebenen ausgewertet, um die Wechselwirkung zwischen Einspritzung und Strömungsfeld zu beurteilen. Aus dieser Auswertung können eine Reihe phänomenologischer Modelle, die die Spray-Strömungs-Interaktion im Brennraum beschreiben, abgeleitet werden. Um die physikalischen Eigenschaften von Bio-Kraftstoffen für beim Einsatz in Spray-Simulationen zu ermitteln, ist es wichtig auf die richtige Formulierung von Kraftstoff-Surrogaten zu achten. Daher wird ein genetischer Algorithmus eingesetzt, der für die Definition der Eigenschaften wie Destillationskurve und Dampfdrucks von Biokraftstoff- Surrogaten geeignet ist. Ferner werden zehn aufeinander folgende Arbeitsspiele des geschleppten Darmstadt Motors mit LES Turbulenzmodellierung simuliert. Es kann eine gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment beobachtet werden. Die Ergebnisse werden hinsichtlich der Turbulenzproduktion im Motor analysiert und mit zyklischen Schwankungen korreliert. Abschließend wird der starke Einfluss von Wandgrenzschichten auf die Effizienz eines Motors durch die Auswertung und Analyse von wandnahen Strömungsgrößen weiter beleuchtet.