Lightweight engine block design of a range extender engine

This thesis work is carried out with the cooperation between Politecnico di Milano and Robby Moto Engineering S.r.l., who has the objective of developing a new internal combustion engine to be used as a part of a range extender on electric vehicles. The thesis introduces a new lightweight design of the current engine block designed by the company based on the analysis conducted. Lightweight materials are selected to use in engine block design for possible design changes based on manufacturing method. Loads acting on the block are calculated according to the pressure data of combustion chamber. Finite element analysis is performed for the two critical load cases calculated. The static assessment of the engine block is made according to von Mises stress. Topology optimization is performed to obtain a guideline for redesigning the parts. The engine block is redesigned based on three approaches. Design changes available with conventional methods are implemented by introducing fillets, extruded cuts and rib structure based on topology optimization. Design changes based on material are implemented by changing the material of the block with PA66 GF50 in a separated low-stress section. Design changes based on additive manufacturing are implemented by introducing hollow structure by using selective laser melting (SLM) with AlSi10Mg. Weight reduction of 5.3%, 5.6% and 1.1% is achieved from the used approaches respectively. They can be combined to obtain 12% weight reduction in total.

Questo lavoro di tesi viene svolto in collaborazione con il Politecnico di Milano e Robby Moto Engineering S.r.l., che ha l'obiettivo di sviluppare un nuovo motore a combustione interna da utilizzare come parte di un range extender su veicoli elettrici. La tesi introduce un nuovo design leggero dell'attuale carter progettato dall'azienda sulla base dell'analisi condotta. I materiali leggeri sono selezionati per l'uso nella progettazione del carter per possibili modifiche di progettazione basate sul metodo di produzione. I carichi che agiscono sul carter sono calcolati in base ai dati di pressione della camera di combustione. FEA viene eseguita per i due casi di carico critico calcolati. La valutazione statica del carter viene effettuata in base allo stress di von Mises. L'ottimizzazione della topologia viene eseguita per ottenere una linea guida per la riprogettazione delle parti. Il carter viene riprogettato in base a tre approcci. Le modifiche alla progettazione disponibili con metodi convenzionali vengono implementate introducendo filetti, tagli estrusi e struttura delle nervature in base all'ottimizzazione della topologia. Le modifiche alla progettazione basate sul materiale vengono implementate modificando il materiale del carter con PA66 GF50 in una sezione separata a bassa sollecitazione. Le modifiche alla progettazione basate sulla produzione additiva vengono implementate introducendo una struttura cava utilizzando la fusione laser selettiva (SLM) con AlSi10Mg. La riduzione del peso del 5,3%, 5,6% e 1,1% si ottiene rispettivamente dagli approcci utilizzati. Possono essere combinati per ottenere una riduzione del peso del 12% in totale.