src/FDM/IO360.hxx

   1 // Module:        10520c.c
   2 //  Author:       Phil Schubert
   3 //  Date started: 12/03/99
   4 //  Purpose:      Models a Continental IO-520-M Engine
   5 //  Called by:    FGSimExec
   6 //
   7 //  Copyright (C) 1999  Philip L. Schubert (philings@ozemail.com.au)
   8 //
   9 // This program is free software; you can redistribute it and/or
  10 // modify it under the terms of the GNU General Public License as
  11 // published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
  12 // License, or (at your option) any later version.
  13 //
  14 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  15 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17 // General Public License for more details.
  18 //
  19 // You should have received a copy of the GNU General Public License
  20 // along with this program; if not, write to the Free Software
  21 // Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA
  22 // 02111-1307, USA.
  23 //
  24 // Further information about the GNU General Public License can also
  25 // be found on the world wide web at http://www.gnu.org.
  26 //
  27 // FUNCTIONAL DESCRIPTION
  28 // ------------------------------------------------------------------------
  29 // Models a Continental IO-520-M engine. This engine is used in Cessna
  30 // 210, 310, Beechcraft Bonaza and Baron C55. The equations used below
  31 // were determined by a first and second order curve fits using Excel.
  32 // The data is from the Cessna Aircraft Corporations Engine and Flight
  33 // Computer for C310. Part Number D3500-13
  34 //
  35 // ARGUMENTS
  36 // ------------------------------------------------------------------------
  37 //
  38 //
  39 // HISTORY
  40 // ------------------------------------------------------------------------
  41 // 12/03/99     PLS     Created
  42 // 07/03/99     PLS     Added Calculation of Density, and Prop_Torque
  43 // 07/03/99     PLS     Restructered Variables to allow easier implementation
  44 //                      of Classes
  45 // 15/03/99     PLS     Added Oil Pressure, Oil Temperature and CH Temp
  46 // ------------------------------------------------------------------------
  47 // INCLUDES
  48 // ------------------------------------------------------------------------
  49
  50 #ifndef _IO360_HXX_
  51 #define _IO360_HXX_
  52
  53 #include <simgear/compiler.h>
  54
  55 #include <iostream>
  56 #include <fstream>
  57 #include <math.h>
  58
  59 SG_USING_STD(ofstream);
  60
  61 class FGNewEngine {
  62
  63 private:
  64
  65     float CONVERT_HP_TO_WATTS;
  66     float CONVERT_CUBIC_INCHES_TO_METERS_CUBED;
  67
  68     // Control and environment inputs
  69     float IAS;
  70     // 0 = Closed, 100 = Fully Open
  71     float Throttle_Lever_Pos;
  72     // 0 = Full Course 100 = Full Fine
  73     float Propeller_Lever_Pos;
  74     // 0 = Idle Cut Off 100 = Full Rich
  75     float Mixture_Lever_Pos;
  76
  77     // Engine Specific Variables used by this program that have limits.
  78     // Will be set in a parameter file to be read in to create
  79     // and instance for each engine.
  80     float Max_Manifold_Pressure;  //will be lower than ambient pressure for a non turbo/super charged engine due to losses through the throttle.  This is the sea level full throttle value.
  81     float Min_Manifold_Pressure;  //Closed throttle valueat idle - governed by the idle bypass valve
  82     float Max_RPM;
  83     float Min_RPM;
  84     float Max_Fuel_Flow;
  85     float Mag_Derate_Percent;
  86     float MaxHP;
  87     float Gear_Ratio;
  88
  89     // Initialise Engine Variables used by this instance
  90     float Percentage_Power;     // Power output as percentage of maximum power output
  91     float Manifold_Pressure;    // Inches
  92     float RPM;
  93     float Fuel_Flow_gals_hr;    // gals/hour
  94     float Torque;
  95     float CHT;                  // Cylinder head temperature deg K
  96     float CHT_degF;             // Ditto in deg Fahrenheit
  97     float EGT;                  // Exhaust gas temperature deg K
  98     float EGT_degF;             // Exhaust gas temperature deg Fahrenheit
  99     float Mixture;
 100     float Oil_Pressure;         // PSI
 101     float Oil_Temp;             // Deg C
 102     float HP;                   // Current power output in HP
 103     float Power_SI;             // Current power output in Watts
 104     float Torque_SI;            // Torque in Nm
 105     float RPS;
 106     float Torque_Imbalance;
 107     bool  started;              //flag to indicate the engine is running self sustaining
 108     bool  cranking;             //flag to indicate the engine is being cranked
 109
 110     //DCL
 111     float volumetric_efficiency;
 112     float combustion_efficiency;
 113     float equivalence_ratio;
 114     float v_dot_air;
 115     float m_dot_air;
 116     float m_dot_fuel;
 117     float swept_volume;
 118     float True_Manifold_Pressure;   //in Hg
 119     float rho_air_manifold;
 120     float R_air;
 121     float p_amb_sea_level;      // Pascals
 122     float p_amb;                // Pascals
 123     float T_amb;                // deg Kelvin
 124     float calorific_value_fuel;
 125     float rho_air;
 126     float rho_fuel;             // kg/m^3
 127     float thi_sea_level;
 128     float delta_T_exhaust;
 129     float displacement;         // Engine displacement in cubic inches - to be read in from config file for each engine
 130     float displacement_SI;      // ditto in meters cubed
 131     float Cp_air;               // J/KgK
 132     float Cp_fuel;              // J/KgK
 133     float heat_capacity_exhaust;
 134     float enthalpy_exhaust;
 135     float Percentage_of_best_power_mixture_power;
 136     float abstract_mixture;     //temporary hack
 137     float engine_inertia;       //kg.m^2
 138     float prop_inertia;         //kg.m^2
 139     float angular_acceleration; //rad/s^2
 140     double time_step;
 141
 142     // Propellor Variables
 143     float FGProp1_Thrust;
 144     float FGProp1_RPS;
 145     float FGProp1_Blade_Angle;
 146     float prop_torque;          // Nm
 147     float prop_thrust;          // Newtons
 148     float blade_length;         // meters
 149     float forward_velocity;             // m/s
 150     float angular_velocity_SI;          // rad/s
 151     float prop_power_consumed_SI;       // Watts
 152     float prop_power_consumed_HP;       // HP
 153     double prop_diameter;               // meters
 154     double J;                           // advance ratio - dimensionless
 155     double Cp_20;                   // coefficient of power for 20 degree blade angle
 156     double Cp_25;                   // coefficient of power for 25 degree blade angle
 157     double Cp;                      // Our actual coefficient of power
 158     double blade_angle;             // degrees
 159     double neta_prop_20;
 160     double neta_prop_25;
 161     double neta_prop;               // prop efficiency
 162
 163     // Calculate Engine RPM based on Propellor Lever Position
 164     float Calc_Engine_RPM(float Position);
 165
 166     // Calculate Manifold Pressure based on throttle lever position
 167     // Note that this is simplistic and needs altering to include engine speed effects
 168     float Calc_Manifold_Pressure( float LeverPosn, float MaxMan, float MinMan);
 169
 170     // Calculate combustion efficiency based on equivalence ratio
 171     float Lookup_Combustion_Efficiency(float thi_actual);
 172
 173     // Calculate percentage of best power mixture power based on equivalence ratio
 174     float Power_Mixture_Correlation(float thi_actual);
 175
 176     // Calculate exhaust gas temperature rise
 177     float Calculate_Delta_T_Exhaust(void);
 178
 179     // Calculate Oil Temperature
 180     float Calc_Oil_Temp (float Fuel_Flow, float Mixture, float IAS);
 181
 182     // Calculate Oil Pressure
 183     float Calc_Oil_Press (float Oil_Temp, float Engine_RPM);
 184
 185 public:
 186
 187     ofstream outfile;
 188
 189     //constructor
 190     FGNewEngine() {
 191 //      outfile.open("FGNewEngine.dat", ios::out|ios::trunc);
 192     }
 193
 194     //destructor
 195     ~FGNewEngine() {
 196 //      outfile.close();
 197     }
 198
 199     // set initial default values
 200     void init(double dt);
 201
 202     // update the engine model based on current control positions
 203     void update();
 204
 205     inline void set_IAS( float value ) { IAS = value; }
 206     inline void set_Throttle_Lever_Pos( float value ) {
 207         Throttle_Lever_Pos = value;
 208     }
 209     inline void set_Propeller_Lever_Pos( float value ) {
 210         Propeller_Lever_Pos = value;
 211     }
 212     inline void set_Mixture_Lever_Pos( float value ) {
 213         Mixture_Lever_Pos = value;
 214     }
 215     // set ambient pressure - takes pounds per square foot
 216     inline void set_p_amb( float value ) {
 217         p_amb = value * 47.88026;
 218         // Convert to Pascals
 219     }
 220     // set ambient temperature - takes degrees Rankine
 221     inline void set_T_amb( float value ) {
 222         T_amb = value * 0.555555555556;
 223         // Convert to degrees Kelvin
 224     }
 225
 226     // accessors
 227     inline float get_RPM() const { return RPM; }
 228     inline float get_Manifold_Pressure() const { return True_Manifold_Pressure; }
 229     inline float get_FGProp1_Thrust() const { return FGProp1_Thrust; }
 230     inline float get_FGProp1_Blade_Angle() const { return FGProp1_Blade_Angle; }
 231
 232  //   inline float get_Rho() const { return Rho; }
 233     inline float get_MaxHP() const { return MaxHP; }
 234     inline float get_Percentage_Power() const { return Percentage_Power; }
 235     inline float get_EGT() const { return EGT_degF; }    // Returns EGT in Fahrenheit
 236     inline float get_CHT() const { return CHT_degF; }    // Note this returns CHT in Fahrenheit
 237     inline float get_prop_thrust_SI() const { return prop_thrust; }
 238     inline float get_prop_thrust_lbs() const { return (prop_thrust * 0.2248); }
 239     inline float get_fuel_flow_gals_hr() const { return (Fuel_Flow_gals_hr); }
 240 };
 241
 242
 243 #endif // _IO360_HXX_