In dieser Dissertation werden wandnahe Prozesse in einem optisch zugänglichen Ottomotor mit Direkteinspritzung experimentell untersucht. Diese Prozesse wirken sich auf den thermodynamischen Wirkungsgrad und die Schadstoffemissionen aus, insbesondere durch Wärmeübertragung, Bildung von Kraftstoffwandfilmen, turbulenten Transport und Vermischung, Flamme-WandWechselwirkung und Schadstoffbildung. Da die Verringerung der Treibhausgas- und Schadstoffemissionen von technischen Verbrennungsprozessen im Zusammenhang mit der Bekämpfung des Klimawandels und der Einhaltung künftiger Abgasregularien unerlässlich ist, ist ein umfassendes Verständnis dieser interagierenden Prozesse erforderlich.

In dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen mit einer Kombination aus minimalinvasiver optischer Diagnostik in einem umfangreich charakterisierten Motorprüfstand durchgeführt. Thermografische Phosphore werden an mehreren Stellen im Brennraum angebracht, um die Wandtemperaturen im geschleppten und gefeuerten Betrieb zu messen. Zum ersten Mal liegen Temperaturmessungen im Kolbenspalt vor, die einen vertikalen Temperaturgradienten am Kolben aufzeigen. Im gefeuerten Betrieb steigen die Temperaturen stetig an, wobei der stärkste Anstieg in den ersten 50 Zyklen zu verzeichnen ist. Die Flamme-Wand-Wechselwirkung im Kolbenspalt, in den die Flamme während der Verbrennung hineingedrückt wird, wird zum ersten Mal untersucht. Außerdem werden aus den zeitlich aufgelösten Oberflächentemperaturen Wandwärmeströme abgeschätzt. Diese betragen im gefeuerten Betrieb bis zu 15 MWm−2 auf der metallischen Kolbenflanke und etwa 1 MWm−2 auf dem Kolben- und Zylinderglas.

Die Geschwindigkeitsgrenzschicht über dem Kolben wird mit hochauflösender Particle-TrackingVelocimetry aufgelöst. Bei einer Motordrehzahl von 2500 U/Min ist die viskose Unterschicht 30 µm dick. Außerdem überlappen sich die innere und die äußere Schicht stark, und die Geschwindigkeitsprofile folgen dem logarithmischen Wandgesetz nicht. Sowohl in der Geschwindigkeitsmagnitude als auch bei den Fluktuationen sind jedoch Ähnlichkeiten mit Prallströmungen zu beobachten. Konditionierte Mittelwerte zeigen, dass der Grad der Grenzschichtentwicklung von der horizontalen Position und dem instantanen Strömungsmodus abhängt.

Die Emissionsbildung im Zusammenhang mit Kraftstoffwandfilmen wird mithilfe von simultanen Messungen mit PIV, laserinduzierter Fluoreszenz von Aceton sowie Flammen- und Rußvisualisierungen untersucht. Dazu wurde durch späte Injektion von Aceton mit einem Einlochinjektor gezielt ein Kraftstofffilm erzeugt. Das im Verlauf resultierende Rußleuchten oberhalb des Kolbens (häufig als “Pool Fire” bezeichnet) wird charakterisiert und auf Pyrolyse von kraftstoffreichen Zonen im heißen Abgas zurückgeführt. Es wird eine starke Sensitivität der Verdampfungs- und folglich Rußbildungsprozesse gegenüber der Wandtemperatur beobachtet. Die gemessenen AcetonMolenbrüche der Hauptströmung liegen im Durchschnitt unter 2 %, was darauf hindeutet, dass die Rußbildung auf Regionen in unmittelbarer Wandnähe mit hohem Kraftstoff-Luft-Verhältnissen beschränkt ist. Zudem werden starke Schwankungen des Rußeigenleuchtens von Zyklus zu Zyklus beobachtet. Signifikante Korrelationswerte werden zwischen den Geschwindigkeits- und Mischungsfeldern und dem Rußleuchten berechnet. Konditionierte Statistiken zeigen den Einfluss der Strömung auf die Flammenausbreitung. Es wird die Hypothese aufgestellt, dass die verbrennungsbedingte Konvektion von initialen Rußpartikeln entlang der kälteren Temperaturgrenzschicht für das geringere Rußleuchten in einigen Zyklen verantwortlich ist.

Die vorgestellten Ergebnisse bieten neue Einblicke in relevante wandnahe motorische Phänomene und erweitern den Datensatz der für die Verifikation sowie die Randbedingungen von numerischen Simulationen zur Verfügung steht.