Aufgrund der Verknappung fossiler Brennstoffe und strenger gesetzlicher Emissionsgrenzwerte steigt der Bedarf an verbrauchsarmen und umweltfreundlichen Verbrennungsmotoren stetig an. Aus derzeitiger Perspektive bieten beispielsweise HCCI-Verbrennungsmotoren (Homogeneous Charge Compression Ignition), welche die Vorteile von Diesel- und Ottomotoren vereinen, ein großes Potential für zukünftige Motorenkonzepte. So erreichen HCCI-Motoren, mittels hoher Verdichtungsverhältnisse, vergleichbar hohe Wirkungsgrade wie Diesel-Motoren. Zusätzlich lassen sich Schadstoffe wie NOx und Rußpartikel durch die homogene Kompressionszündung im Motor verringern. Diesen Vorteilen von HCCI-Motoren stehen jedoch auch Herausforderungen entgegen. So schränken unkontrollierte Zündzeitpunkte und Wärmefreisetzungen bei Volllastbetrieb den Arbeitsbereich der HCCI-Motoren ein. Als Abhilfe werden Regelungskonzepte für HCCI-Motoren entwickelt, welchen als Motoren mit kontrollierter Selbstzündung CAI (Controlled Auto Ignition) bezeichnet werden.

Die innermotorische Verbrennung mit kontrollierter Selbstzündung wird maßgeblich durch die Reaktionskinetik und Ladungszusammensetzung im Brennraum bestimmt. Hierbei wird der Verbrennungsvorgang entscheidend durch die Inhomogenitäten im Mischungs- und Temperaturfeld beeinflusst. Die Vorhersage der hierbei ablaufenden Prozesse ist aufwendig und erfordert eine umfassende, orts- und zeitaufgelöste Beschreibung der chemischen und thermodynamischen Zustände. In diesem Kontext gewinnen Computersimulationen (computational fluid dynamics CFD) zunehmend an Bedeutung. Eine vielversprechende Methode zur Vorhersage und Analyse der instationären chemischen und physikalischen Phänomene in HCCI-Motoren bietet hierbei die numerische Beschreibung mittels Grobstruktursimulationen (LES).

Aufbauend auf vorangegangen Untersuchungen, ist es Gegenstand der vorliegenden Arbeit eine numerische Methode zur Berechnung von HCCI-Motoren mit kontrollierter Selbstzündung zu entwickeln. Das Verfahren, welches in das CFD Programm KIVA-4mpi implementiert wurde, basiert auf einer zeitaufgelösten, dreidimensionalen Beschreibung des Strömungsfeldes im Rahmen der Grobstruktursimulation. Die chemischen Reaktionen der Selbstzündung werden mithilfe vortabellierter Chemie beschrieben. Die Methode wurde mittels null- und eindimensionalen Testfällen verifiziert und anschließend auf eine reale Motorkonfiguration angewendet. Bezüglich der Motorkonfiguration wurde der Einfluss skalarer Größen wie Temperatur, Luft-Kraftstoff-Verhältnis, Abgasrückführung (AGR) und Druck auf die Selbstzündung untersucht. Es wurde eine statistische Analyse zur Beschreibung der starken Inhomogenitäten dieser skalaren Größen im Brennraum durchgeführt. Es konnte eine deutliche Korrelation zwischen der AGR und der Temperatur festgestellt werden. Weiterhin zeigte sich dass sich die kombinierte Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der AGR und des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses entlang zweier Zweige entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass im Falle von HCCI-Motoren mit kontrollierter Selbstzündung, der Verbrennungsprozess von diesen Größen bestimmt ist. Schließlich ergab die Analyse von aufeinanderfolgende Motorzyklen einen starken Einfluss des AGR auf die Selbstzündung. Hierbei zeigen die Motorzyklen einen nicht zu vernachlässigenden Unterschied im jeweiligen Zündverzug.