src/FDM/JSBSim/FGPiston.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGPiston.cpp
   4  Author:       Jon S. Berndt, JSBSim framework
   5                Dave Luff, Piston engine model
   6  Date started: 09/12/2000
   7  Purpose:      This module models a Piston engine
   8
   9  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) --------------
  10
  11  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  12  the terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
  13  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  14  version.
  15
  16  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  17  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  18  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more
  19  details.
  20
  21  You should have received a copy of the GNU General Public License along with
  22  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  23  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  24
  25  Further information about the GNU General Public License can also be found on
  26  the world wide web at http://www.gnu.org.
  27
  28 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  29 --------------------------------------------------------------------------------
  30
  31 This class descends from the FGEngine class and models a Piston engine based on
  32 parameters given in the engine config file for this class
  33
  34 HISTORY
  35 --------------------------------------------------------------------------------
  36 09/12/2000  JSB  Created
  37
  38 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  39 INCLUDES
  40 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  41
  42 #include <sstream>
  43
  44 #include "FGPiston.h"
  45 #include "FGPropulsion.h"
  46 #include "FGPropeller.h"
  47
  48 namespace JSBSim {
  49
  50 static const char *IdSrc = "$Id$";
  51 static const char *IdHdr = ID_PISTON;
  52
  53 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  54 CLASS IMPLEMENTATION
  55 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  56
  57 FGPiston::FGPiston(FGFDMExec* exec, FGConfigFile* Eng_cfg, int engine_number)
  58   : FGEngine(exec, engine_number),
  59   R_air(287.3),
  60   rho_fuel(800),                 // estimate
  61   calorific_value_fuel(47.3e6),
  62   Cp_air(1005),
  63   Cp_fuel(1700)
  64 {
  65   string token;
  66
  67   Type = etPiston;
  68   crank_counter = 0;
  69   OilTemp_degK = 298;
  70   MinManifoldPressure_inHg = 6.5;
  71   MaxManifoldPressure_inHg = 28.5;
  72   ManifoldPressure_inHg = Atmosphere->GetPressure() * psftoinhg; // psf to in Hg
  73   minMAP = 21950;
  74   maxMAP = 96250;
  75   MAP = Atmosphere->GetPressure() * 47.88;  // psf to Pa
  76   CylinderHeadTemp_degK = 0.0;
  77   Displacement = 360;
  78   MaxHP = 200;
  79   Cycles = 2;
  80   IdleRPM = 600;
  81   Magnetos = 0;
  82   ExhaustGasTemp_degK = 0.0;
  83   EGT_degC = 0.0;
  84
  85   dt = State->Getdt();
  86
  87   // Supercharging
  88   BoostSpeeds = 0;  // Default to no supercharging
  89   BoostSpeed = 0;
  90   Boosted = false;
  91   BoostOverride = 0;
  92   bBoostOverride = false;
  93   bTakeoffBoost = false;
  94   TakeoffBoost = 0.0;   // Default to no extra takeoff-boost
  95   int i;
  96   for (i=0; i<FG_MAX_BOOST_SPEEDS; i++) {
  97     RatedBoost[i] = 0.0;
  98     RatedPower[i] = 0.0;
  99     RatedAltitude[i] = 0.0;
 100     BoostMul[i] = 1.0;
 101     RatedMAP[i] = 100000;
 102     RatedRPM[i] = 2500;
 103     TakeoffMAP[i] = 100000;
 104   }
 105   for (i=0; i<FG_MAX_BOOST_SPEEDS-1; i++) {
 106     BoostSwitchAltitude[i] = 0.0;
 107     BoostSwitchPressure[i] = 0.0;
 108   }
 109
 110   // Initialisation
 111   volumetric_efficiency = 0.8;  // Actually f(speed, load) but this will get us running
 112
 113   // First column is thi, second is neta (combustion efficiency)
 114   Lookup_Combustion_Efficiency = new FGTable(12);
 115   *Lookup_Combustion_Efficiency << 0.00 << 0.980;
 116   *Lookup_Combustion_Efficiency << 0.90 << 0.980;
 117   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.00 << 0.970;
 118   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.05 << 0.950;
 119   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.10 << 0.900;
 120   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.15 << 0.850;
 121   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.20 << 0.790;
 122   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.30 << 0.700;
 123   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.40 << 0.630;
 124   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.50 << 0.570;
 125   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.60 << 0.525;
 126   *Lookup_Combustion_Efficiency << 2.00 << 0.345;
 127
 128   Power_Mixture_Correlation = new FGTable(13);
 129   *Power_Mixture_Correlation << (14.7/1.6) << 78.0;
 130   *Power_Mixture_Correlation << 10 <<  86.0;
 131   *Power_Mixture_Correlation << 11 <<  93.5;
 132   *Power_Mixture_Correlation << 12 <<  98.0;
 133   *Power_Mixture_Correlation << 13 << 100.0;
 134   *Power_Mixture_Correlation << 14 <<  99.0;
 135   *Power_Mixture_Correlation << 15 <<  96.4;
 136   *Power_Mixture_Correlation << 16 <<  92.5;
 137   *Power_Mixture_Correlation << 17 <<  88.0;
 138   *Power_Mixture_Correlation << 18 <<  83.0;
 139   *Power_Mixture_Correlation << 19 <<  78.5;
 140   *Power_Mixture_Correlation << 20 <<  74.0;
 141   *Power_Mixture_Correlation << (14.7/0.6) << 58;
 142
 143   Name = Eng_cfg->GetValue("NAME");
 144   Eng_cfg->GetNextConfigLine();
 145   while (Eng_cfg->GetValue() != string("/FG_PISTON")) {
 146     *Eng_cfg >> token;
 147     if      (token == "MINMP") *Eng_cfg >> MinManifoldPressure_inHg;
 148     else if (token == "MAXMP") *Eng_cfg >> MaxManifoldPressure_inHg;
 149     else if (token == "DISPLACEMENT") *Eng_cfg >> Displacement;
 150     else if (token == "MAXHP") *Eng_cfg >> MaxHP;
 151     else if (token == "CYCLES") *Eng_cfg >> Cycles;
 152     else if (token == "IDLERPM") *Eng_cfg >> IdleRPM;
 153     else if (token == "MAXTHROTTLE") *Eng_cfg >> MaxThrottle;
 154     else if (token == "MINTHROTTLE") *Eng_cfg >> MinThrottle;
 155     else if (token == "NUMBOOSTSPEEDS") *Eng_cfg >> BoostSpeeds;
 156     else if (token == "BOOSTOVERRIDE") *Eng_cfg >> BoostOverride;
 157     else if (token == "TAKEOFFBOOST") *Eng_cfg >> TakeoffBoost;
 158     else if (token == "RATEDBOOST1") *Eng_cfg >> RatedBoost[0];
 159     else if (token == "RATEDBOOST2") *Eng_cfg >> RatedBoost[1];
 160     else if (token == "RATEDBOOST3") *Eng_cfg >> RatedBoost[2];
 161     else if (token == "RATEDPOWER1") *Eng_cfg >> RatedPower[0];
 162     else if (token == "RATEDPOWER2") *Eng_cfg >> RatedPower[1];
 163     else if (token == "RATEDPOWER3") *Eng_cfg >> RatedPower[2];
 164     else if (token == "RATEDRPM1") *Eng_cfg >> RatedRPM[0];
 165     else if (token == "RATEDRPM2") *Eng_cfg >> RatedRPM[1];
 166     else if (token == "RATEDRPM3") *Eng_cfg >> RatedRPM[2];
 167     else if (token == "RATEDALTITUDE1") *Eng_cfg >> RatedAltitude[0];
 168     else if (token == "RATEDALTITUDE2") *Eng_cfg >> RatedAltitude[1];
 169     else if (token == "RATEDALTITUDE3") *Eng_cfg >> RatedAltitude[2];
 170     else cerr << "Unhandled token in Engine config file: " << token << endl;
 171   }
 172
 173   minMAP = MinManifoldPressure_inHg * 3376.85;  // inHg to Pa
 174   maxMAP = MaxManifoldPressure_inHg * 3376.85;
 175
 176   // Set up and sanity-check the turbo/supercharging configuration based on the input values.
 177   if(TakeoffBoost > RatedBoost[0]) bTakeoffBoost = true;
 178   for(i=0; i<BoostSpeeds; ++i) {
 179     bool bad = false;
 180     if(RatedBoost[i] <= 0.0) bad = true;
 181     if(RatedPower[i] <= 0.0) bad = true;
 182     if(RatedAltitude[i] < 0.0) bad = true;  // 0.0 is deliberately allowed - this corresponds to unregulated supercharging.
 183     if(i > 0 && RatedAltitude[i] < RatedAltitude[i - 1]) bad = true;
 184     if(bad) {
 185       // We can't recover from the above - don't use this supercharger speed.
 186       BoostSpeeds--;
 187       // TODO - put out a massive error message!
 188       break;
 189     }
 190     // Now sanity-check stuff that is recoverable.
 191     if(i < BoostSpeeds - 1) {
 192       if(BoostSwitchAltitude[i] < RatedAltitude[i]) {
 193         // TODO - put out an error message
 194         // But we can also make a reasonable estimate, as below.
 195         BoostSwitchAltitude[i] = RatedAltitude[i] + 1000;
 196       }
 197       BoostSwitchPressure[i] = Atmosphere->GetPressure(BoostSwitchAltitude[i]) * 47.88;
 198       //cout << "BoostSwitchAlt = " << BoostSwitchAltitude[i] << ", pressure = " << BoostSwitchPressure[i] << '\n';
 199       // Assume there is some hysteresis on the supercharger gear switch, and guess the value for now
 200       BoostSwitchHysteresis = 1000;
 201     }
 202     // Now work out the supercharger pressure multiplier of this speed from the rated boost and altitude.
 203     RatedMAP[i] = Atmosphere->GetPressureSL() * 47.88 + RatedBoost[i] * 6895;  // psf*47.88 = Pa, psi*6895 = Pa.
 204     // Sometimes a separate BCV setting for takeoff or extra power is fitted.
 205     if(TakeoffBoost > RatedBoost[0]) {
 206       // Assume that the effect on the BCV is the same whichever speed is in use.
 207       TakeoffMAP[i] = RatedMAP[i] + ((TakeoffBoost - RatedBoost[0]) * 6895);
 208       bTakeoffBoost = true;
 209     } else {
 210       TakeoffMAP[i] = RatedMAP[i];
 211       bTakeoffBoost = false;
 212     }
 213     BoostMul[i] = RatedMAP[i] / (Atmosphere->GetPressure(RatedAltitude[i]) * 47.88);
 214
 215     // TODO - get rid of the debugging output before sending it to Jon
 216     //cout << "Speed " << i+1 << '\n';
 217     //cout << "BoostMul = " << BoostMul[i] << ", RatedMAP = " << RatedMAP[i] << ", TakeoffMAP = " << TakeoffMAP[i] << '\n';
 218   }
 219
 220   if(BoostSpeeds > 0) {
 221     Boosted = true;
 222     BoostSpeed = 0;
 223   }
 224   bBoostOverride = (BoostOverride == 1 ? true : false);
 225
 226   //cout << "Engine is " << (Boosted ? "supercharged" : "naturally aspirated") << '\n';
 227
 228   Debug(0); // Call Debug() routine from constructor if needed
 229 }
 230
 231 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 232
 233 FGPiston::~FGPiston()
 234 {
 235   Debug(1); // Call Debug() routine from constructor if needed
 236 }
 237
 238 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 239
 240 double FGPiston::Calculate(void)
 241 {
 242   if (FuelFlow_gph > 0.0) ConsumeFuel();
 243
 244   Throttle = FCS->GetThrottlePos(EngineNumber);
 245   Mixture = FCS->GetMixturePos(EngineNumber);
 246
 247   //
 248   // Input values.
 249   //
 250
 251   p_amb = Atmosphere->GetPressure() * 47.88;              // convert from lbs/ft2 to Pa
 252   p_amb_sea_level = Atmosphere->GetPressureSL() * 47.88;
 253   T_amb = Atmosphere->GetTemperature() * (5.0 / 9.0);  // convert from Rankine to Kelvin
 254
 255   RPM = Thruster->GetRPM() * Thruster->GetGearRatio();
 256
 257   IAS = Auxiliary->GetVcalibratedKTS();
 258
 259   doEngineStartup();
 260   if(Boosted) doBoostControl();
 261   doMAP();
 262   doAirFlow();
 263   doFuelFlow();
 264
 265   //Now that the fuel flow is done check if the mixture is too lean to run the engine
 266   //Assume lean limit at 22 AFR for now - thats a thi of 0.668
 267   //This might be a bit generous, but since there's currently no audiable warning of impending
 268   //cutout in the form of misfiring and/or rough running its probably reasonable for now.
 269   if (equivalence_ratio < 0.668)
 270     Running = false;
 271
 272   doEnginePower();
 273   doEGT();
 274   doCHT();
 275   doOilTemperature();
 276   doOilPressure();
 277
 278   if (Thruster->GetType() == FGThruster::ttPropeller) {
 279     ((FGPropeller*)Thruster)->SetAdvance(FCS->GetPropAdvance(EngineNumber));
 280   }
 281
 282   PowerAvailable = (HP * hptoftlbssec) - Thruster->GetPowerRequired();
 283
 284   return Thrust = Thruster->Calculate(PowerAvailable);
 285 }
 286
 287 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 288 /**
 289  * Start or stop the engine.
 290  */
 291
 292 void FGPiston::doEngineStartup(void)
 293 {
 294   // Check parameters that may alter the operating state of the engine.
 295   // (spark, fuel, starter motor etc)
 296   bool spark;
 297   bool fuel;
 298
 299   // Check for spark
 300   Magneto_Left = false;
 301   Magneto_Right = false;
 302   // Magneto positions:
 303   // 0 -> off
 304   // 1 -> left only
 305   // 2 -> right only
 306   // 3 -> both
 307   if (Magnetos != 0) {
 308     spark = true;
 309   } else {
 310     spark = false;
 311   }  // neglects battery voltage, master on switch, etc for now.
 312
 313   if ((Magnetos == 1) || (Magnetos > 2)) Magneto_Left = true;
 314   if (Magnetos > 1)  Magneto_Right = true;
 315
 316   // Assume we have fuel for now
 317   fuel = !Starved;
 318
 319   // Check if we are turning the starter motor
 320   if (Cranking != Starter) {
 321     // This check saves .../cranking from getting updated every loop - they
 322     // only update when changed.
 323     Cranking = Starter;
 324     crank_counter = 0;
 325   }
 326
 327   if (Cranking) crank_counter++;  //Check mode of engine operation
 328
 329   if (!Running && spark && fuel) {  // start the engine if revs high enough
 330     if (Cranking) {
 331       if ((RPM > 450) && (crank_counter > 175)) // Add a little delay to startup
 332         Running = true;                         // on the starter
 333     } else {
 334       if (RPM > 450)                            // This allows us to in-air start
 335         Running = true;                         // when windmilling
 336     }
 337   }
 338
 339   // Cut the engine *power* - Note: the engine may continue to
 340   // spin if the prop is in a moving airstream
 341
 342   if ( Running && (!spark || !fuel) ) Running = false;
 343
 344   // Check for stalling (RPM = 0).
 345   if (Running) {
 346     if (RPM == 0) {
 347       Running = false;
 348     } else if ((RPM <= 480) && (Cranking)) {
 349       Running = false;
 350     }
 351   }
 352 }
 353
 354 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 355
 356 /**
 357  * Calculate the Current Boost Speed
 358  *
 359  * This function calculates the current turbo/supercharger boost speed
 360  * based on altitude and the (automatic) boost-speed control valve configuration.
 361  *
 362  * Inputs: p_amb, BoostSwitchPressure, BoostSwitchHysteresis
 363  *
 364  * Outputs: BoostSpeed
 365  */
 366
 367 void FGPiston::doBoostControl(void)
 368 {
 369   if(BoostSpeed < BoostSpeeds - 1) {
 370     // Check if we need to change to a higher boost speed
 371     if(p_amb < BoostSwitchPressure[BoostSpeed] - BoostSwitchHysteresis) {
 372       BoostSpeed++;
 373     }
 374   } else if(BoostSpeed > 0) {
 375     // Check if we need to change to a lower boost speed
 376     if(p_amb > BoostSwitchPressure[BoostSpeed - 1] + BoostSwitchHysteresis) {
 377       BoostSpeed--;
 378     }
 379   }
 380 }
 381
 382 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 383
 384 /**
 385  * Calculate the manifold absolute pressure (MAP) in inches hg
 386  *
 387  * This function calculates manifold absolute pressure (MAP)
 388  * from the throttle position, turbo/supercharger boost control
 389  * system, engine speed and local ambient air density.
 390  *
 391  * TODO: changes in MP should not be instantaneous -- introduce
 392  * a lag between throttle changes and MP changes, to allow pressure
 393  * to build up or disperse.
 394  *
 395  * Inputs: minMAP, maxMAP, p_amb, Throttle
 396  *
 397  * Outputs: MAP, ManifoldPressure_inHg
 398  */
 399
 400 void FGPiston::doMAP(void)
 401 {
 402   if(RPM > 10) {
 403     // Naturally aspirated
 404     MAP = minMAP + (Throttle * (maxMAP - minMAP));
 405     MAP *= p_amb / p_amb_sea_level;
 406     if(Boosted) {
 407       // If takeoff boost is fitted, we currently assume the following throttle map:
 408       // (In throttle % - actual input is 0 -> 1)
 409       // 99 / 100 - Takeoff boost
 410       // 96 / 97 / 98 - Rated boost
 411       // 0 - 95 - Idle to Rated boost (MinManifoldPressure to MaxManifoldPressure)
 412       // In real life, most planes would be fitted with a mechanical 'gate' between
 413       // the rated boost and takeoff boost positions.
 414       double T = Throttle; // processed throttle value.
 415       bool bTakeoffPos = false;
 416       if(bTakeoffBoost) {
 417         if(Throttle > 0.98) {
 418           //cout << "Takeoff Boost!!!!\n";
 419           bTakeoffPos = true;
 420         } else if(Throttle <= 0.95) {
 421           bTakeoffPos = false;
 422           T *= 1.0 / 0.95;
 423         } else {
 424           bTakeoffPos = false;
 425           //cout << "Rated Boost!!\n";
 426           T = 1.0;
 427         }
 428       }
 429       // Boost the manifold pressure.
 430       MAP *= BoostMul[BoostSpeed];
 431       // Now clip the manifold pressure to BCV or Wastegate setting.
 432       if(bTakeoffPos) {
 433         if(MAP > TakeoffMAP[BoostSpeed]) {
 434           MAP = TakeoffMAP[BoostSpeed];
 435         }
 436       } else {
 437         if(MAP > RatedMAP[BoostSpeed]) {
 438           MAP = RatedMAP[BoostSpeed];
 439         }
 440       }
 441     }
 442   } else {
 443     // rpm < 10 - effectively stopped.
 444     // TODO - add a better variation of MAP with engine speed
 445     MAP = Atmosphere->GetPressure() * 47.88; // psf to Pa
 446   }
 447
 448   // And set the value in American units as well
 449   ManifoldPressure_inHg = MAP / 3376.85;
 450 }
 451
 452 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 453 /**
 454  * Calculate the air flow through the engine.
 455  * Also calculates ambient air density
 456  * (used in CHT calculation for air-cooled engines).
 457  *
 458  * Inputs: p_amb, R_air, T_amb, MAP, Displacement,
 459  *   RPM, volumetric_efficiency
 460  *
 461  * TODO: Model inlet manifold air temperature.
 462  *
 463  * Outputs: rho_air, m_dot_air
 464  */
 465
 466 void FGPiston::doAirFlow(void)
 467 {
 468   rho_air = p_amb / (R_air * T_amb);
 469   double rho_air_manifold = MAP / (R_air * T_amb);
 470   double displacement_SI = Displacement * in3tom3;
 471   double swept_volume = (displacement_SI * (RPM/60)) / 2;
 472   double v_dot_air = swept_volume * volumetric_efficiency;
 473   m_dot_air = v_dot_air * rho_air_manifold;
 474 }
 475
 476 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 477 /**
 478  * Calculate the fuel flow into the engine.
 479  *
 480  * Inputs: Mixture, thi_sea_level, p_amb_sea_level, p_amb, m_dot_air
 481  *
 482  * Outputs: equivalence_ratio, m_dot_fuel
 483  */
 484
 485 void FGPiston::doFuelFlow(void)
 486 {
 487   double thi_sea_level = 1.3 * Mixture;
 488   equivalence_ratio = thi_sea_level * p_amb_sea_level / p_amb;
 489   m_dot_fuel = m_dot_air / 14.7 * equivalence_ratio;
 490   FuelFlow_gph = m_dot_fuel
 491     * 3600                      // seconds to hours
 492     * 2.2046                    // kg to lb
 493     / 6.6;                      // lb to gal_us of kerosene
 494 }
 495
 496 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 497 /**
 498  * Calculate the power produced by the engine.
 499  *
 500  * Currently, the JSBSim propellor model does not allow the
 501  * engine to produce enough RPMs to get up to a high horsepower.
 502  * When tested with sufficient RPM, it has no trouble reaching
 503  * 200HP.
 504  *
 505  * Inputs: ManifoldPressure_inHg, p_amb, p_amb_sea_level, RPM, T_amb,
 506  *   equivalence_ratio, Cycles, MaxHP
 507  *
 508  * Outputs: Percentage_Power, HP
 509  */
 510
 511 void FGPiston::doEnginePower(void)
 512 {
 513   if (Running) {
 514     double T_amb_degF = KelvinToFahrenheit(T_amb);
 515     double T_amb_sea_lev_degF = KelvinToFahrenheit(288);
 516
 517     // FIXME: this needs to be generalized
 518     double ManXRPM;  // Convienience term for use in the calculations
 519     if(Boosted) {
 520       // Currently a simple linear fit.
 521       // The zero crossing is moved up the speed-load range to reduce the idling power.
 522       // This will change!
 523       double zeroOffset = (minMAP / 2.0) * (IdleRPM / 2.0);
 524       ManXRPM = MAP * (RPM > RatedRPM[BoostSpeed] ? RatedRPM[BoostSpeed] : RPM);
 525       // The speed clip in the line above is deliberate.
 526       Percentage_Power = ((ManXRPM - zeroOffset) / ((RatedMAP[BoostSpeed] * RatedRPM[BoostSpeed]) - zeroOffset)) * 107.0;
 527       Percentage_Power -= 7.0;  // Another idle power reduction offset - see line above with 107.
 528       if (Percentage_Power < 0.0) Percentage_Power = 0.0;
 529       // Note that %power is allowed to go over 100 for boosted powerplants
 530       // such as for the BCV-override or takeoff power settings.
 531       // TODO - currently no altitude effect (temperature & exhaust back-pressure) modelled
 532       // for boosted engines.
 533     } else {
 534       ManXRPM = ManifoldPressure_inHg * RPM; // Note that inHg must be used for the following correlation.
 535       Percentage_Power = (6e-9 * ManXRPM * ManXRPM) + (8e-4 * ManXRPM) - 1.0;
 536       Percentage_Power += ((T_amb_sea_lev_degF - T_amb_degF) * 7 /120);
 537       if (Percentage_Power < 0.0) Percentage_Power = 0.0;
 538       else if (Percentage_Power > 100.0) Percentage_Power = 100.0;
 539     }
 540
 541     double Percentage_of_best_power_mixture_power =
 542       Power_Mixture_Correlation->GetValue(14.7 / equivalence_ratio);
 543
 544     Percentage_Power *= Percentage_of_best_power_mixture_power / 100.0;
 545
 546     if(Boosted) {
 547       HP = Percentage_Power * RatedPower[BoostSpeed] / 100.0;
 548     } else {
 549       HP = Percentage_Power * MaxHP / 100.0;
 550     }
 551
 552   } else {
 553
 554     // Power output when the engine is not running
 555     if (Cranking) {
 556       if (RPM < 10) {
 557         HP = 3.0;   // This is a hack to prevent overshooting the idle rpm in
 558                     // the first time step. It may possibly need to be changed
 559                     // if the prop model is changed.
 560       } else if (RPM < 480) {
 561         HP = 3.0 + ((480 - RPM) / 10.0);
 562         // This is a guess - would be nice to find a proper starter moter torque curve
 563       } else {
 564         HP = 3.0;
 565       }
 566     } else {
 567       // Quick hack until we port the FMEP stuff
 568       if (RPM > 0.0)
 569         HP = -1.5;
 570       else
 571         HP = 0.0;
 572     }
 573   }
 574   //cout << "Power = " << HP << '\n';
 575 }
 576
 577 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 578 /**
 579  * Calculate the exhaust gas temperature.
 580  *
 581  * Inputs: equivalence_ratio, m_dot_fuel, calorific_value_fuel,
 582  *   Cp_air, m_dot_air, Cp_fuel, m_dot_fuel, T_amb, Percentage_Power
 583  *
 584  * Outputs: combustion_efficiency, ExhaustGasTemp_degK
 585  */
 586
 587 void FGPiston::doEGT(void)
 588 {
 589   double delta_T_exhaust;
 590   double enthalpy_exhaust;
 591   double heat_capacity_exhaust;
 592   double dEGTdt;
 593
 594   if ((Running) && (m_dot_air > 0.0)) {  // do the energy balance
 595     combustion_efficiency = Lookup_Combustion_Efficiency->GetValue(equivalence_ratio);
 596     enthalpy_exhaust = m_dot_fuel * calorific_value_fuel *
 597                               combustion_efficiency * 0.33;
 598     heat_capacity_exhaust = (Cp_air * m_dot_air) + (Cp_fuel * m_dot_fuel);
 599     delta_T_exhaust = enthalpy_exhaust / heat_capacity_exhaust;
 600     ExhaustGasTemp_degK = T_amb + delta_T_exhaust;
 601     ExhaustGasTemp_degK *= 0.444 + ((0.544 - 0.444) * Percentage_Power / 100.0);
 602   } else {  // Drop towards ambient - guess an appropriate time constant for now
 603     dEGTdt = (298.0 - ExhaustGasTemp_degK) / 100.0;
 604     delta_T_exhaust = dEGTdt * dt;
 605     ExhaustGasTemp_degK += delta_T_exhaust;
 606   }
 607 }
 608
 609 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 610 /**
 611  * Calculate the cylinder head temperature.
 612  *
 613  * Inputs: T_amb, IAS, rho_air, m_dot_fuel, calorific_value_fuel,
 614  *   combustion_efficiency, RPM
 615  *
 616  * Outputs: CylinderHeadTemp_degK
 617  */
 618
 619 void FGPiston::doCHT(void)
 620 {
 621   double h1 = -95.0;
 622   double h2 = -3.95;
 623   double h3 = -0.05;
 624
 625   double arbitary_area = 1.0;
 626   double CpCylinderHead = 800.0;
 627   double MassCylinderHead = 8.0;
 628
 629   double temperature_difference = CylinderHeadTemp_degK - T_amb;
 630   double v_apparent = IAS * 0.5144444;
 631   double v_dot_cooling_air = arbitary_area * v_apparent;
 632   double m_dot_cooling_air = v_dot_cooling_air * rho_air;
 633   double dqdt_from_combustion =
 634     m_dot_fuel * calorific_value_fuel * combustion_efficiency * 0.33;
 635   double dqdt_forced = (h2 * m_dot_cooling_air * temperature_difference) +
 636     (h3 * RPM * temperature_difference);
 637   double dqdt_free = h1 * temperature_difference;
 638   double dqdt_cylinder_head = dqdt_from_combustion + dqdt_forced + dqdt_free;
 639
 640   double HeatCapacityCylinderHead = CpCylinderHead * MassCylinderHead;
 641
 642   CylinderHeadTemp_degK +=
 643     (dqdt_cylinder_head / HeatCapacityCylinderHead) * dt;
 644 }
 645
 646 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 647 /**
 648  * Calculate the oil temperature.
 649  *
 650  * Inputs: Percentage_Power, running flag.
 651  *
 652  * Outputs: OilTemp_degK
 653  */
 654
 655 void FGPiston::doOilTemperature(void)
 656 {
 657   double idle_percentage_power = 2.3;        // approximately
 658   double target_oil_temp;        // Steady state oil temp at the current engine conditions
 659   double time_constant;          // The time constant for the differential equation
 660
 661   if (Running) {
 662     target_oil_temp = 363;
 663     time_constant = 500;        // Time constant for engine-on idling.
 664     if (Percentage_Power > idle_percentage_power) {
 665       time_constant /= ((Percentage_Power / idle_percentage_power) / 10.0); // adjust for power
 666     }
 667   } else {
 668     target_oil_temp = 298;
 669     time_constant = 1000;  // Time constant for engine-off; reflects the fact
 670                            // that oil is no longer getting circulated
 671   }
 672
 673   double dOilTempdt = (target_oil_temp - OilTemp_degK) / time_constant;
 674
 675   OilTemp_degK += (dOilTempdt * dt);
 676 }
 677
 678 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 679 /**
 680  * Calculate the oil pressure.
 681  *
 682  * Inputs: RPM
 683  *
 684  * Outputs: OilPressure_psi
 685  */
 686
 687 void FGPiston::doOilPressure(void)
 688 {
 689   double Oil_Press_Relief_Valve = 60; // FIXME: may vary by engine
 690   double Oil_Press_RPM_Max = 1800;    // FIXME: may vary by engine
 691   double Design_Oil_Temp = 358;       // degK; FIXME: may vary by engine
 692   double Oil_Viscosity_Index = 0.25;
 693
 694   OilPressure_psi = (Oil_Press_Relief_Valve / Oil_Press_RPM_Max) * RPM;
 695
 696   if (OilPressure_psi >= Oil_Press_Relief_Valve) {
 697     OilPressure_psi = Oil_Press_Relief_Valve;
 698   }
 699
 700   OilPressure_psi += (Design_Oil_Temp - OilTemp_degK) * Oil_Viscosity_Index;
 701 }
 702
 703 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 704
 705 string FGPiston::GetEngineLabels(string delimeter)
 706 {
 707   std::ostringstream buf;
 708
 709   buf << Name << "_PwrAvail[" << EngineNumber << "]" << delimeter
 710       << Name << "_HP[" << EngineNumber << "]" << delimeter
 711       << Thruster->GetThrusterLabels(EngineNumber, delimeter);
 712
 713   return buf.str();
 714 }
 715
 716 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 717
 718 string FGPiston::GetEngineValues(string delimeter)
 719 {
 720   std::ostringstream buf;
 721
 722   buf << PowerAvailable << delimeter << HP << delimeter
 723       << Thruster->GetThrusterValues(EngineNumber, delimeter);
 724
 725   return buf.str();
 726 }
 727
 728 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 729 //
 730 //    The bitmasked value choices are as follows:
 731 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 732 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 733 //       the config files as they are read. If the environment
 734 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 735 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 736 //       whatsoever.
 737 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 738 //       startup messages
 739 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 740 //       a class is instantiated
 741 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 742 //       FGModel object executes its Run() method
 743 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 744 //       are printed out periodically
 745 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 746 //       a message is printed out when they go out of bounds
 747
 748 void FGPiston::Debug(int from)
 749 {
 750   if (debug_lvl <= 0) return;
 751
 752   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 753     if (from == 0) { // Constructor
 754
 755       cout << "\n    Engine Name: "         << Name << endl;
 756       cout << "      MinManifoldPressure: " << MinManifoldPressure_inHg << endl;
 757       cout << "      MaxManifoldPressure: " << MaxManifoldPressure_inHg << endl;
 758       cout << "      Displacement: "        << Displacement             << endl;
 759       cout << "      MaxHP: "               << MaxHP                    << endl;
 760       cout << "      Cycles: "              << Cycles                   << endl;
 761       cout << "      IdleRPM: "             << IdleRPM                  << endl;
 762       cout << "      MaxThrottle: "         << MaxThrottle              << endl;
 763       cout << "      MinThrottle: "         << MinThrottle              << endl;
 764
 765       cout << endl;
 766       cout << "      Combustion Efficiency table:" << endl;
 767       Lookup_Combustion_Efficiency->Print();
 768       cout << endl;
 769
 770       cout << endl;
 771       cout << "      Power Mixture Correlation table:" << endl;
 772       Power_Mixture_Correlation->Print();
 773       cout << endl;
 774
 775     }
 776   }
 777   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 778     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGPiston" << endl;
 779     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGPiston" << endl;
 780   }
 781   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 782   }
 783   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 784   }
 785   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 786   }
 787   if (debug_lvl & 64) {
 788     if (from == 0) { // Constructor
 789       cout << IdSrc << endl;
 790       cout << IdHdr << endl;
 791     }
 792   }
 793 }
 794
 795 double
 796 FGPiston::CalcFuelNeed(void)
 797 {
 798   return FuelFlow_gph / 3600 * 6 * State->Getdt() * Propulsion->GetRate();
 799 }
 800
 801 } // namespace JSBSim