Zur Erhaltung der lokalen Luftreinheit sind Partikelemissionen auch bei Ottomotoren zunehmend Teil der gesetzlichen Regulierung von Abgasemissionen. Durch die steigende Komplexität der Testverfahren - von standardisierten Fahrzyklen hin zu Emissionen realer Straßenfahrten - entwickelt sich eine nahezu unbegrenzte Anzahl von möglichen Fahrfällen und Streckenkombinationen. Simulationsmethoden können bereits früh im Entwicklungsprozess bei der Reduktion von Partikelrohemissionen unterstützen, etwa durch Optimierung von Konstruktion und Motorapplikation sowie durch Bewertung verschiedener Motorzustände und Fahrfälle.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neues phänomenologisches Simulationsmodell entwickelt, mit dessen Hilfe die Partikelrohemissionen von Ottomotoren basierend auf physikalischen Grundprinzipien berechnet werden. Das Modell ist sowohl für quasi-stationäre Motorbetriebspunkte als auch für transiente Fahrprofile anwendbar. Zusätzlich zu den Partikelanzahlemissionen sind auch Partikelmasse und -größenverteilung bestimmbar. Dies erfolgt durch die Kopplung einer 0D/1D Motorprozesssimulation mit einem neuentwickelten quasi-dimensionalen Mehrzonenmodell, welches wesentliche innermotorische Rußpartikelquellen berücksichtigt, und einem stochastischen Rußmodell. Es werden Partikelemissionen von Kraftstoffablagerungen am Injektor, inhomogener Gemischaufbereitung und verbleibendem Kraftstofffilm an den Brennraumwänden berücksichtigt, da diese, abhängig vom Betriebszustand, einen variablen Anteil an den Gesamtemissionen aufweisen. Die im Mehrzonenmodell aufgeprägten Randbedingungen der Gasphasenkinetik basieren auf diesen Entstehungsorten. In Zonen mit unzureichender Gemischhomogenisierung erfolgt die Berechnung einer Reaktion des Kraftstoff-Luft Gemisches bei unterstöchiometrischen Bedingungen, während in Zonen mit verbleibendem Kraftstofffilm Pyrolysereaktionen betrachtet werden. Die Bestimmung der verbleibenden Kraftstoffmasse bezieht Filmbildung und -verdampfung ein. Die Berechnung von Kraftstofffilmen an den Brennraumwänden erfolgt durch die Kopplung eines neu entwickelten Spraymodells mit Modellen zur Spray-Wand Interaktion und Filmverdampfung. Das Homogenisierungsmodell berechnet zeitlich aufgelöst den Gemischbildungsprozess im Brennraum unter Berücksichtigung von Ladungsbewegung, Spray-Gemisch Interaktion und Mischungszeit und ermöglicht die Bestimmung der statistischen Verteilung des Verbrennungsluftverhältnisses. Die Entwicklung der Simulationsmethodik wird begleitet von Motorprüfstandsmessungen und 3D-CFD Simulationen zur Parametrierung und Evaluation der einzelnen Submodelle. Aufgrund der physikalisch basierten Struktur ist das Modell nach einer motorspezifischen Parametrierung an einigen ausgewählten Betriebspunkten in der Lage, Änderungen von thermodynamischen Randbedingungen und der Aktuatorik zu berücksichtigen.

Die Evaluation der finalen Simulationsumgebung erfolgt mittels Messungen des Motorkennfeldes, einer Variation verschiedener Motorapplikationseinstellungen und thermischer Randbedingungen sowie transienten Fahrprofilen. Basierend auf den Ergebnissen der Arbeit wird eine Anwendung der Simulationsmethodik bei Motorentwicklungen zur weiteren Verringerung der Partikelrohemissionen ermöglicht.