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