src/FDM/IO360.hxx

   1 // IO360.hxx - a piston engine model currently for the IO360 engine fitted to the C172
   2 //             but with the potential to model other naturally aspirated piston engines
   3 //             given appropriate config input.
   4 //
   5 // Written by David Luff, started 2000.
   6 // Based on code by Phil Schubert, started 1999.
   7 //
   8 // This program is free software; you can redistribute it and/or
   9 // modify it under the terms of the GNU General Public License as
  10 // published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
  11 // License, or (at your option) any later version.
  12 //
  13 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  14 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  15 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  16 // General Public License for more details.
  17 //
  18 // You should have received a copy of the GNU General Public License
  19 // along with this program; if not, write to the Free Software
  20 // Foundation, Inc., 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.
  21
  22
  23 #ifndef _IO360_HXX_
  24 #define _IO360_HXX_
  25
  26 #include <simgear/compiler.h>
  27
  28 #include <math.h>
  29
  30 #include STL_IOSTREAM
  31 #include STL_FSTREAM
  32
  33 SG_USING_STD(ofstream);
  34
  35 class FGNewEngine {
  36
  37 private:
  38
  39     // These constants should probably be moved eventually
  40     float CONVERT_CUBIC_INCHES_TO_METERS_CUBED;
  41     float CONVERT_HP_TO_WATTS;
  42
  43     // Properties of working fluids
  44     float Cp_air;               // J/KgK
  45     float Cp_fuel;              // J/KgK
  46     float calorific_value_fuel; // W/Kg
  47     float rho_fuel;             // kg/m^3
  48     float rho_air;              // kg/m^3
  49
  50     // environment inputs
  51     float p_amb_sea_level;      // Sea level ambient pressure in Pascals
  52     float p_amb;                // Ambient pressure at current altitude in Pascals
  53     float T_amb;                // ditto deg Kelvin
  54
  55     // Control inputs
  56     float Throttle_Lever_Pos;   // 0 = Closed, 100 = Fully Open
  57     float Propeller_Lever_Pos;  // 0 = Full Course 100 = Full Fine
  58     float Mixture_Lever_Pos;    // 0 = Idle Cut Off 100 = Full Rich
  59     int mag_pos;                // 0=off, 1=left, 2=right, 3=both.
  60     bool starter;
  61
  62     //misc
  63     float IAS;
  64     double time_step;
  65
  66     // Engine Specific Variables that should be read in from a config file
  67     float MaxHP;                // Horsepower
  68     float displacement;         // Cubic inches
  69     float displacement_SI;      //m^3 (derived from above rather than read in)
  70     float engine_inertia;       //kg.m^2
  71     float prop_inertia;         //kg.m^2
  72     float Max_Fuel_Flow;        // Units??? Do we need this variable any more??
  73
  74     // Engine specific variables that maybe should be read in from config but are pretty generic and won't vary much for a naturally aspirated piston engine.
  75     float Max_Manifold_Pressure;    // inches Hg - typical manifold pressure at full throttle and typical max rpm
  76     float Min_Manifold_Pressure;    // inches Hg - typical manifold pressure at idle (closed throttle)
  77     float Max_RPM;              // rpm - this is really a bit of a hack and could be make redundant if the prop model works properly and takes tips at speed of sound into account.
  78     float Min_RPM;              // rpm - possibly redundant ???
  79     float Mag_Derate_Percent;   // Percentage reduction in power when mags are switched from 'both' to either 'L' or 'R'
  80     float Gear_Ratio;           // Gearing between engine and propellor
  81     float n_R;                  // Number of cycles per power stroke - 2 for a 4 stroke engine.
  82
  83     // Engine Variables not read in from config file
  84     float RPM;                  // rpm
  85     float Percentage_Power;     // Power output as percentage of maximum power output
  86     float Manifold_Pressure;    // Inches Hg
  87     float Fuel_Flow_gals_hr;    // USgals/hour
  88     float Torque_lbft;          // lb-ft
  89     float Torque_SI;            // Nm
  90     float CHT;                  // Cylinder head temperature deg K
  91     float CHT_degF;             // Ditto in deg Fahrenheit
  92     float Mixture;
  93     float Oil_Pressure;         // PSI
  94     float Oil_Temp;             // Deg C
  95     float current_oil_temp;     // deg K
  96     /**** one of these is superfluous !!!!***/
  97     float HP;                   // Current power output in HP
  98     float Power_SI;             // Current power output in Watts
  99     float RPS;
 100     float angular_velocity_SI;  // rad/s
 101     float Torque_FMEP;          // The component of Engine torque due to FMEP (Nm)
 102     float Torque_Imbalance;     // difference between engine and prop torque
 103     float EGT;                  // Exhaust gas temperature deg K
 104     float EGT_degF;             // Exhaust gas temperature deg Fahrenheit
 105     float volumetric_efficiency;
 106     float combustion_efficiency;
 107     float equivalence_ratio;    // ratio of stoichiometric AFR over actual AFR
 108     float thi_sea_level;        // the equivalence ratio we would be running at assuming sea level air denisity in the manifold
 109     float v_dot_air;            // volume flow rate of air into engine  - m^3/s
 110     float m_dot_air;            // mass flow rate of air into engine - kg/s
 111     float m_dot_fuel;           // mass flow rate of fuel into engine - kg/s
 112     float swept_volume;         // total engine swept volume - m^3
 113     /********* swept volume or the geometry used to calculate it should be in the config read section surely ??? ******/
 114     float True_Manifold_Pressure;   //in Hg - actual manifold gauge pressure
 115     float rho_air_manifold;     // denisty of air in the manifold - kg/m^3
 116     float R_air;                // Gas constant of air (287) UNITS???
 117     float delta_T_exhaust;      // Temperature change of exhaust this time step - degK
 118     float heat_capacity_exhaust;    // exhaust gas specific heat capacity - J/kgK
 119     float enthalpy_exhaust;         // Enthalpy at current exhaust gas conditions - UNITS???
 120     float Percentage_of_best_power_mixture_power;   // Current power as a percentage of what power we would have at the same conditions but at best power mixture
 121     float abstract_mixture;     //temporary hack
 122     float angular_acceleration; //rad/s^2
 123     float FMEP;                 //Friction Mean Effective Pressure (Pa)
 124
 125     // Various bits of housekeeping describing the engines state.
 126     bool  running;              // flag to indicate the engine is running self sustaining
 127     bool  cranking;             // flag to indicate the engine is being cranked
 128     int   crank_counter;        // Number of iterations that the engine has been cranked non-stop
 129     bool  spark;                // flag to indicate a spark is available
 130     bool  fuel;                 // flag to indicate fuel is available
 131
 132     // Propellor Variables
 133     float FGProp1_RPS;          // rps
 134     float prop_torque;          // Nm
 135     float prop_thrust;          // Newtons
 136     double prop_diameter;       // meters
 137     double blade_angle;         // degrees
 138
 139
 140 // MEMBER FUNCTIONS
 141
 142     // Calculate Engine RPM based on Propellor Lever Position
 143     float Calc_Engine_RPM(float Position);
 144
 145     // Calculate Manifold Pressure based on throttle lever position
 146     // Note that this is simplistic and needs altering to include engine speed effects
 147     float Calc_Manifold_Pressure( float LeverPosn, float MaxMan, float MinMan);
 148
 149     // Calculate combustion efficiency based on equivalence ratio
 150     float Lookup_Combustion_Efficiency(float thi_actual);
 151
 152     // Calculate percentage of best power mixture power based on equivalence ratio
 153     float Power_Mixture_Correlation(float thi_actual);
 154
 155     // Calculate exhaust gas temperature change
 156     float Calculate_Delta_T_Exhaust(void);
 157
 158     // Calculate cylinder head temperature
 159     void Calc_CHT(void);
 160
 161     // Calculate exhaust gas temperature
 162     void Calc_EGT(void);
 163
 164     // Calculate fuel flow in gals/hr
 165     void Calc_Fuel_Flow_Gals_Hr(void);
 166
 167     // Calculate current percentage power
 168     void Calc_Percentage_Power(bool mag_left, bool mag_right);
 169
 170     // Calculate Oil Temperature
 171     float Calc_Oil_Temp (float oil_temp);
 172
 173     // Calculate Oil Pressure
 174     float Calc_Oil_Press (float Oil_Temp, float Engine_RPM);
 175
 176     // Propeller calculations.
 177     void Do_Prop_Calcs(void);
 178
 179 public:
 180
 181 //    ofstream outfile;
 182
 183     //constructor
 184     FGNewEngine() {
 185 //      outfile.open("FGNewEngine.dat", ios::out|ios::trunc);
 186     }
 187
 188     //destructor
 189     ~FGNewEngine() {
 190 //      outfile.close();
 191     }
 192
 193     // set initial default values
 194     void init(double dt);
 195
 196     // update the engine model based on current control positions
 197     void update();
 198
 199     inline void set_IAS( float value ) { IAS = value; }
 200     inline void set_Throttle_Lever_Pos( float value ) {
 201         Throttle_Lever_Pos = value;
 202     }
 203     inline void set_Propeller_Lever_Pos( float value ) {
 204         Propeller_Lever_Pos = value;
 205     }
 206     inline void set_Mixture_Lever_Pos( float value ) {
 207         Mixture_Lever_Pos = value;
 208     }
 209     // set the magneto switch position
 210     inline void set_Magneto_Switch_Pos( int value ) {
 211         mag_pos = value;
 212     }
 213     inline void setStarterFlag( bool flag ) {
 214         starter = flag;
 215     }
 216     // set ambient pressure - takes pounds per square foot
 217     inline void set_p_amb( float value ) {
 218         p_amb = value * 47.88026;
 219         // Convert to Pascals
 220     }
 221     // set ambient temperature - takes degrees Rankine
 222     inline void set_T_amb( float value ) {
 223         T_amb = value * 0.555555555556;
 224         // Convert to degrees Kelvin
 225     }
 226
 227     // accessors
 228     inline float get_RPM() const { return RPM; }
 229     inline float get_Manifold_Pressure() const { return True_Manifold_Pressure; }
 230  //   inline float get_Rho() const { return Rho; }
 231     inline float get_MaxHP() const { return MaxHP; }
 232     inline float get_Percentage_Power() const { return Percentage_Power; }
 233     inline float get_EGT() const { return EGT_degF; }    // Returns EGT in Fahrenheit
 234     inline float get_CHT() const { return CHT_degF; }    // Note this returns CHT in Fahrenheit
 235     inline float get_prop_thrust_SI() const { return prop_thrust; }
 236     inline float get_prop_thrust_lbs() const { return (prop_thrust * 0.2248); }
 237     inline float get_fuel_flow_gals_hr() const { return (Fuel_Flow_gals_hr); }
 238     inline float get_oil_temp() const { return ((current_oil_temp * 1.8) - 459.67); }
 239     inline bool getRunningFlag() const { return running; }
 240     inline bool getCrankingFlag() const { return cranking; }
 241     inline bool getStarterFlag() const { return starter; }
 242 };
 243
 244
 245 #endif // _IO360_HXX_