src/FDM/JSBSim/models/propulsion/FGPiston.cpp

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Module:       FGPiston.cpp
   4  Author:       Jon S. Berndt, JSBSim framework
   5                Dave Luff, Piston engine model
   6                Ronald Jensen, Piston engine model
   7  Date started: 09/12/2000
   8  Purpose:      This module models a Piston engine
   9
  10  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) --------------
  11
  12  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  13  the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software
  14  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  15  version.
  16
  17  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  18  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  19  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU Lesser General Public License for more
  20  details.
  21
  22  You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with
  23  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  24  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  25
  26  Further information about the GNU Lesser General Public License can also be found on
  27  the world wide web at http://www.gnu.org.
  28
  29 FUNCTIONAL DESCRIPTION
  30 --------------------------------------------------------------------------------
  31
  32 This class descends from the FGEngine class and models a Piston engine based on
  33 parameters given in the engine config file for this class
  34
  35 HISTORY
  36 --------------------------------------------------------------------------------
  37 09/12/2000  JSB  Created
  38
  39 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  40 INCLUDES
  41 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  42
  43 #include <sstream>
  44
  45 #include "FGPiston.h"
  46 #include <models/FGPropulsion.h>
  47 #include "FGPropeller.h"
  48
  49 namespace JSBSim {
  50
  51 static const char *IdSrc = "$Id$";
  52 static const char *IdHdr = ID_PISTON;
  53
  54 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  55 CLASS IMPLEMENTATION
  56 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  57
  58 FGPiston::FGPiston(FGFDMExec* exec, Element* el, int engine_number)
  59   : FGEngine(exec, el, engine_number),
  60   R_air(287.3),                  // Gas constant for air J/Kg/K
  61   rho_fuel(800),                 // estimate
  62   calorific_value_fuel(47.3e6),
  63   Cp_air(1005),                  // Specific heat (constant pressure) J/Kg/K
  64   Cp_fuel(1700)
  65 {
  66   string token;
  67
  68   // Defaults and initializations
  69
  70   Type = etPiston;
  71   dt = State->Getdt();
  72
  73   // These items are read from the configuration file
  74
  75   Cycles = 2;
  76   IdleRPM = 600;
  77   MaxRPM = 2800;
  78   Displacement = 360;
  79   SparkFailDrop = 1.0;
  80   MaxHP = 200;
  81   MinManifoldPressure_inHg = 6.5;
  82   MaxManifoldPressure_inHg = 28.5;
  83   BSFC = -1;
  84
  85   // Initialisation
  86   volumetric_efficiency = 0.8;  // Actually f(speed, load) but this will get us running
  87
  88   // These are internal program variables
  89
  90   crank_counter = 0;
  91   Magnetos = 0;
  92   minMAP = 21950;
  93   maxMAP = 96250;
  94
  95   ResetToIC();
  96
  97   // Supercharging
  98   BoostSpeeds = 0;  // Default to no supercharging
  99   BoostSpeed = 0;
 100   Boosted = false;
 101   BoostOverride = 0;
 102   bBoostOverride = false;
 103   bTakeoffBoost = false;
 104   TakeoffBoost = 0.0;   // Default to no extra takeoff-boost
 105   int i;
 106   for (i=0; i<FG_MAX_BOOST_SPEEDS; i++) {
 107     RatedBoost[i] = 0.0;
 108     RatedPower[i] = 0.0;
 109     RatedAltitude[i] = 0.0;
 110     BoostMul[i] = 1.0;
 111     RatedMAP[i] = 100000;
 112     RatedRPM[i] = 2500;
 113     TakeoffMAP[i] = 100000;
 114   }
 115   for (i=0; i<FG_MAX_BOOST_SPEEDS-1; i++) {
 116     BoostSwitchAltitude[i] = 0.0;
 117     BoostSwitchPressure[i] = 0.0;
 118   }
 119
 120   // First column is thi, second is neta (combustion efficiency)
 121   Lookup_Combustion_Efficiency = new FGTable(12);
 122   *Lookup_Combustion_Efficiency << 0.00 << 0.980;
 123   *Lookup_Combustion_Efficiency << 0.90 << 0.980;
 124   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.00 << 0.970;
 125   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.05 << 0.950;
 126   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.10 << 0.900;
 127   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.15 << 0.850;
 128   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.20 << 0.790;
 129   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.30 << 0.700;
 130   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.40 << 0.630;
 131   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.50 << 0.570;
 132   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.60 << 0.525;
 133   *Lookup_Combustion_Efficiency << 2.00 << 0.345;
 134
 135   Mixture_Efficiency_Correlation = new FGTable(15);
 136   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05000 << 0.00000;
 137   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05137 << 0.00862;
 138   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05179 << 0.21552;
 139   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05430 << 0.48276;
 140   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05842 << 0.70690;
 141   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.06312 << 0.83621;
 142   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.06942 << 0.93103;
 143   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.07786 << 1.00000;
 144   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.08845 << 1.00000;
 145   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.09270 << 0.98276;
 146   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.10120 << 0.93103;
 147   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.11455 << 0.72414;
 148   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.12158 << 0.45690;
 149   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.12435 << 0.23276;
 150   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.12500 << 0.00000;
 151
 152
 153   // Read inputs from engine data file where present.
 154
 155   if (el->FindElement("minmp")) // Should have ELSE statement telling default value used?
 156     MinManifoldPressure_inHg = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("minmp","INHG");
 157   if (el->FindElement("maxmp"))
 158     MaxManifoldPressure_inHg = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("maxmp","INHG");
 159   if (el->FindElement("displacement"))
 160     Displacement = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("displacement","IN3");
 161   if (el->FindElement("maxhp"))
 162     MaxHP = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("maxhp","HP");
 163   if (el->FindElement("sparkfaildrop"))
 164     SparkFailDrop = Constrain(0, 1 - el->FindElementValueAsNumber("sparkfaildrop"), 1);
 165   if (el->FindElement("cycles"))
 166     Cycles = el->FindElementValueAsNumber("cycles");
 167   if (el->FindElement("idlerpm"))
 168     IdleRPM = el->FindElementValueAsNumber("idlerpm");
 169   if (el->FindElement("maxrpm"))
 170     MaxRPM = el->FindElementValueAsNumber("maxrpm");
 171   if (el->FindElement("maxthrottle"))
 172     MaxThrottle = el->FindElementValueAsNumber("maxthrottle");
 173   if (el->FindElement("minthrottle"))
 174     MinThrottle = el->FindElementValueAsNumber("minthrottle");
 175   if (el->FindElement("bsfc"))
 176     BSFC = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("bsfc", "LBS/HP*HR");
 177   if (el->FindElement("volumetric-efficiency"))
 178     volumetric_efficiency = el->FindElementValueAsNumber("volumetric-efficiency");
 179   if (el->FindElement("numboostspeeds")) { // Turbo- and super-charging parameters
 180     BoostSpeeds = (int)el->FindElementValueAsNumber("numboostspeeds");
 181     if (el->FindElement("boostoverride"))
 182       BoostOverride = (int)el->FindElementValueAsNumber("boostoverride");
 183     if (el->FindElement("takeoffboost"))
 184       TakeoffBoost = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("takeoffboost", "PSI");
 185     if (el->FindElement("ratedboost1"))
 186       RatedBoost[0] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedboost1", "PSI");
 187     if (el->FindElement("ratedboost2"))
 188       RatedBoost[1] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedboost2", "PSI");
 189     if (el->FindElement("ratedboost3"))
 190       RatedBoost[2] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedboost3", "PSI");
 191     if (el->FindElement("ratedpower1"))
 192       RatedPower[0] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedpower1", "HP");
 193     if (el->FindElement("ratedpower2"))
 194       RatedPower[1] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedpower2", "HP");
 195     if (el->FindElement("ratedpower3"))
 196       RatedPower[2] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedpower3", "HP");
 197     if (el->FindElement("ratedrpm1"))
 198       RatedRPM[0] = el->FindElementValueAsNumber("ratedrpm1");
 199     if (el->FindElement("ratedrpm2"))
 200       RatedRPM[1] = el->FindElementValueAsNumber("ratedrpm2");
 201     if (el->FindElement("ratedrpm3"))
 202       RatedRPM[2] = el->FindElementValueAsNumber("ratedrpm3");
 203     if (el->FindElement("ratedaltitude1"))
 204       RatedAltitude[0] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedaltitude1", "FT");
 205     if (el->FindElement("ratedaltitude2"))
 206       RatedAltitude[1] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedaltitude2", "FT");
 207     if (el->FindElement("ratedaltitude3"))
 208       RatedAltitude[2] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedaltitude3", "FT");
 209   }
 210
 211   MaxManifoldPressure_Percent = MaxManifoldPressure_inHg / 29.92;
 212   // Create a BSFC to match the engine if not provided
 213   if (BSFC < 0) {
 214       BSFC = ( Displacement * MaxRPM * volumetric_efficiency ) / (9411 * MaxHP);
 215       BSFC *= (MaxManifoldPressure_Percent * MaxManifoldPressure_Percent * MaxManifoldPressure_Percent);
 216   }
 217   if ( MaxManifoldPressure_inHg > 29.9 ) {   // Don't allow boosting with a bogus number
 218       MaxManifoldPressure_inHg = 29.9;
 219       MaxManifoldPressure_Percent = MaxManifoldPressure_inHg / 29.92;
 220   }
 221
 222   char property_name[80];
 223   snprintf(property_name, 80, "propulsion/engine[%d]/power-hp", EngineNumber);
 224   PropertyManager->Tie(property_name, &HP);
 225   snprintf(property_name, 80, "propulsion/engine[%d]/bsfc-lbs_hphr", EngineNumber);
 226   PropertyManager->Tie(property_name, &BSFC);
 227   snprintf(property_name, 80, "propulsion/engine[%d]/volumetric-efficiency", EngineNumber);
 228   PropertyManager->Tie(property_name, &volumetric_efficiency);
 229   minMAP = MinManifoldPressure_inHg * inhgtopa;  // inHg to Pa
 230   maxMAP = MaxManifoldPressure_inHg * inhgtopa;
 231   StarterHP = sqrt(MaxHP) * 0.4;
 232
 233   // Set up and sanity-check the turbo/supercharging configuration based on the input values.
 234   if (TakeoffBoost > RatedBoost[0]) bTakeoffBoost = true;
 235   for (i=0; i<BoostSpeeds; ++i) {
 236     bool bad = false;
 237     if (RatedBoost[i] <= 0.0) bad = true;
 238     if (RatedPower[i] <= 0.0) bad = true;
 239     if (RatedAltitude[i] < 0.0) bad = true;  // 0.0 is deliberately allowed - this corresponds to unregulated supercharging.
 240     if (i > 0 && RatedAltitude[i] < RatedAltitude[i - 1]) bad = true;
 241     if (bad) {
 242       // We can't recover from the above - don't use this supercharger speed.
 243       BoostSpeeds--;
 244       // TODO - put out a massive error message!
 245       break;
 246     }
 247     // Now sanity-check stuff that is recoverable.
 248     if (i < BoostSpeeds - 1) {
 249       if (BoostSwitchAltitude[i] < RatedAltitude[i]) {
 250         // TODO - put out an error message
 251         // But we can also make a reasonable estimate, as below.
 252         BoostSwitchAltitude[i] = RatedAltitude[i] + 1000;
 253       }
 254       BoostSwitchPressure[i] = Atmosphere->GetPressure(BoostSwitchAltitude[i]) * psftopa;
 255       //cout << "BoostSwitchAlt = " << BoostSwitchAltitude[i] << ", pressure = " << BoostSwitchPressure[i] << '\n';
 256       // Assume there is some hysteresis on the supercharger gear switch, and guess the value for now
 257       BoostSwitchHysteresis = 1000;
 258     }
 259     // Now work out the supercharger pressure multiplier of this speed from the rated boost and altitude.
 260     RatedMAP[i] = Atmosphere->GetPressureSL() * psftopa + RatedBoost[i] * 6895;  // psi*6895 = Pa.
 261     // Sometimes a separate BCV setting for takeoff or extra power is fitted.
 262     if (TakeoffBoost > RatedBoost[0]) {
 263       // Assume that the effect on the BCV is the same whichever speed is in use.
 264       TakeoffMAP[i] = RatedMAP[i] + ((TakeoffBoost - RatedBoost[0]) * 6895);
 265       bTakeoffBoost = true;
 266     } else {
 267       TakeoffMAP[i] = RatedMAP[i];
 268       bTakeoffBoost = false;
 269     }
 270     BoostMul[i] = RatedMAP[i] / (Atmosphere->GetPressure(RatedAltitude[i]) * psftopa);
 271
 272   }
 273
 274   if (BoostSpeeds > 0) {
 275     Boosted = true;
 276     BoostSpeed = 0;
 277   }
 278   bBoostOverride = (BoostOverride == 1 ? true : false);
 279   if (MinThrottle < 0.12) MinThrottle = 0.12;  //MinThrottle is limited to 0.12 to prevent the
 280                                                // throttle area equation from going negative
 281                                                // 0.12 is 1% of maximum area
 282   Debug(0); // Call Debug() routine from constructor if needed
 283 }
 284
 285 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 286
 287 FGPiston::~FGPiston()
 288 {
 289   delete Lookup_Combustion_Efficiency;
 290   delete Mixture_Efficiency_Correlation;
 291   Debug(1); // Call Debug() routine from constructor if needed
 292 }
 293
 294 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 295
 296 void FGPiston::ResetToIC(void)
 297 {
 298   FGEngine::ResetToIC();
 299
 300   ManifoldPressure_inHg = Atmosphere->GetPressure() * psftoinhg; // psf to in Hg
 301   MAP = Atmosphere->GetPressure() * psftopa;
 302   double airTemperature_degK = RankineToKelvin(Atmosphere->GetTemperature());
 303   OilTemp_degK = airTemperature_degK;
 304   CylinderHeadTemp_degK = airTemperature_degK;
 305   ExhaustGasTemp_degK = airTemperature_degK;
 306   EGT_degC = ExhaustGasTemp_degK - 273;
 307   Thruster->SetRPM(0.0);
 308   RPM = 0.0;
 309   OilPressure_psi = 0.0;
 310 }
 311
 312 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 313
 314 double FGPiston::Calculate(void)
 315 {
 316   if (FuelFlow_gph > 0.0) ConsumeFuel();
 317
 318   Throttle = FCS->GetThrottlePos(EngineNumber);
 319   // calculate the throttle plate angle.  1 unit is pi/2 radians.
 320   ThrottleAngle = MinThrottle+((MaxThrottle-MinThrottle)*Throttle );
 321   Mixture = FCS->GetMixturePos(EngineNumber);
 322
 323   //
 324   // Input values.
 325   //
 326
 327   p_amb = Atmosphere->GetPressure() * psftopa;
 328   p_amb_sea_level = Atmosphere->GetPressureSL() * psftopa;
 329   T_amb = RankineToKelvin(Atmosphere->GetTemperature());
 330
 331   RPM = Thruster->GetRPM() * Thruster->GetGearRatio();
 332
 333   IAS = Auxiliary->GetVcalibratedKTS();
 334
 335   doEngineStartup();
 336   if (Boosted) doBoostControl();
 337   doMAP();
 338   doAirFlow();
 339   doFuelFlow();
 340
 341   //Now that the fuel flow is done check if the mixture is too lean to run the engine
 342   //Assume lean limit at 22 AFR for now - thats a thi of 0.668
 343   //This might be a bit generous, but since there's currently no audiable warning of impending
 344   //cutout in the form of misfiring and/or rough running its probably reasonable for now.
 345 //  if (equivalence_ratio < 0.668)
 346 //    Running = false;
 347
 348   doEnginePower();
 349   if (HP < 0.1250) Running = false;
 350
 351   doEGT();
 352   doCHT();
 353   doOilTemperature();
 354   doOilPressure();
 355
 356   if (Thruster->GetType() == FGThruster::ttPropeller) {
 357     ((FGPropeller*)Thruster)->SetAdvance(FCS->GetPropAdvance(EngineNumber));
 358     ((FGPropeller*)Thruster)->SetFeather(FCS->GetPropFeather(EngineNumber));
 359   }
 360
 361   PowerAvailable = (HP * hptoftlbssec) - Thruster->GetPowerRequired();
 362
 363   return Thruster->Calculate(PowerAvailable);
 364 }
 365
 366 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 367
 368 double FGPiston::CalcFuelNeed(void)
 369 {
 370   double dT = State->Getdt() * Propulsion->GetRate();
 371   FuelExpended = FuelFlowRate * dT;
 372   return FuelExpended;
 373 }
 374
 375 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 376
 377 int FGPiston::InitRunning(void) {
 378   Magnetos=3;
 379   //Thruster->SetRPM( 1.1*IdleRPM/Thruster->GetGearRatio() );
 380   Thruster->SetRPM( 1000 );
 381   Running=true;
 382   return 1;
 383 }
 384
 385 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 386 /**
 387  * Start or stop the engine.
 388  */
 389
 390 void FGPiston::doEngineStartup(void)
 391 {
 392   // Check parameters that may alter the operating state of the engine.
 393   // (spark, fuel, starter motor etc)
 394   bool spark;
 395   bool fuel;
 396
 397   // Check for spark
 398   Magneto_Left = false;
 399   Magneto_Right = false;
 400   // Magneto positions:
 401   // 0 -> off
 402   // 1 -> left only
 403   // 2 -> right only
 404   // 3 -> both
 405   if (Magnetos != 0) {
 406     spark = true;
 407   } else {
 408     spark = false;
 409   }  // neglects battery voltage, master on switch, etc for now.
 410
 411   if ((Magnetos == 1) || (Magnetos > 2)) Magneto_Left = true;
 412   if (Magnetos > 1)  Magneto_Right = true;
 413
 414   // Assume we have fuel for now
 415   fuel = !Starved;
 416
 417   // Check if we are turning the starter motor
 418   if (Cranking != Starter) {
 419     // This check saves .../cranking from getting updated every loop - they
 420     // only update when changed.
 421     Cranking = Starter;
 422     crank_counter = 0;
 423   }
 424
 425   if (Cranking) crank_counter++;  //Check mode of engine operation
 426
 427   if (!Running && spark && fuel) {  // start the engine if revs high enough
 428     if (Cranking) {
 429       if ((RPM > IdleRPM*0.8) && (crank_counter > 175)) // Add a little delay to startup
 430         Running = true;                         // on the starter
 431     } else {
 432       if (RPM > IdleRPM*0.8)                            // This allows us to in-air start
 433         Running = true;                         // when windmilling
 434     }
 435   }
 436
 437   // Cut the engine *power* - Note: the engine may continue to
 438   // spin if the prop is in a moving airstream
 439
 440   if ( Running && (!spark || !fuel) ) Running = false;
 441
 442   // Check for stalling (RPM = 0).
 443   if (Running) {
 444     if (RPM == 0) {
 445       Running = false;
 446     } else if ((RPM <= IdleRPM *0.8 ) && (Cranking)) {
 447       Running = false;
 448     }
 449   }
 450 }
 451
 452 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 453
 454 /**
 455  * Calculate the Current Boost Speed
 456  *
 457  * This function calculates the current turbo/supercharger boost speed
 458  * based on altitude and the (automatic) boost-speed control valve configuration.
 459  *
 460  * Inputs: p_amb, BoostSwitchPressure, BoostSwitchHysteresis
 461  *
 462  * Outputs: BoostSpeed
 463  */
 464
 465 void FGPiston::doBoostControl(void)
 466 {
 467   if(BoostSpeed < BoostSpeeds - 1) {
 468     // Check if we need to change to a higher boost speed
 469     if(p_amb < BoostSwitchPressure[BoostSpeed] - BoostSwitchHysteresis) {
 470       BoostSpeed++;
 471     }
 472   } else if(BoostSpeed > 0) {
 473     // Check if we need to change to a lower boost speed
 474     if(p_amb > BoostSwitchPressure[BoostSpeed - 1] + BoostSwitchHysteresis) {
 475       BoostSpeed--;
 476     }
 477   }
 478 }
 479
 480 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 481
 482 /**
 483  * Calculate the manifold absolute pressure (MAP) in inches hg
 484  *
 485  * This function calculates manifold absolute pressure (MAP)
 486  * from the throttle position, turbo/supercharger boost control
 487  * system, engine speed and local ambient air density.
 488  *
 489  * Inputs: p_amb, Throttle, MaxManifoldPressure_Percent, ThrottleAngle
 490  *         RPM, MaxRPM
 491  *
 492  * Outputs: MAP, ManifoldPressure_inHg
 493  */
 494
 495 void FGPiston::doMAP(void)
 496 {
 497  // estimate throttle plate area.  This maps 0.2 -> 0.1 for historical performance reasons
 498     double throttle_area = ThrottleAngle * 1.125 - 0.125;
 499     map_coefficient = pow ((throttle_area * MaxManifoldPressure_Percent),RPM/MaxRPM);
 500     MAP = p_amb * map_coefficient;
 501
 502     if(Boosted) {
 503       // If takeoff boost is fitted, we currently assume the following throttle map:
 504       // (In throttle % - actual input is 0 -> 1)
 505       // 99 / 100 - Takeoff boost
 506       // 96 / 97 / 98 - Rated boost
 507       // 0 - 95 - Idle to Rated boost (MinManifoldPressure to MaxManifoldPressure)
 508       // In real life, most planes would be fitted with a mechanical 'gate' between
 509       // the rated boost and takeoff boost positions.
 510       double T = Throttle; // processed throttle value.
 511       bool bTakeoffPos = false;
 512       if(bTakeoffBoost) {
 513         if(Throttle > 0.98) {
 514           //cout << "Takeoff Boost!!!!\n";
 515           bTakeoffPos = true;
 516         } else if(Throttle <= 0.95) {
 517           bTakeoffPos = false;
 518           T *= 1.0 / 0.95;
 519         } else {
 520           bTakeoffPos = false;
 521           //cout << "Rated Boost!!\n";
 522           T = 1.0;
 523         }
 524       }
 525       // Boost the manifold pressure.
 526       double boost_factor = BoostMul[BoostSpeed] * map_coefficient * RPM/RatedRPM[BoostSpeed];
 527       if (boost_factor < 1.0) boost_factor = 1.0;  // boost will never reduce the MAP
 528       MAP *= boost_factor;
 529       // Now clip the manifold pressure to BCV or Wastegate setting.
 530       if(bTakeoffPos) {
 531         if(MAP > TakeoffMAP[BoostSpeed]) {
 532           MAP = TakeoffMAP[BoostSpeed];
 533         }
 534       } else {
 535         if(MAP > RatedMAP[BoostSpeed]) {
 536           MAP = RatedMAP[BoostSpeed];
 537         }
 538       }
 539     }
 540
 541   // And set the value in American units as well
 542   ManifoldPressure_inHg = MAP / inhgtopa;
 543 }
 544
 545 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 546 /**
 547  * Calculate the air flow through the engine.
 548  * Also calculates ambient air density
 549  * (used in CHT calculation for air-cooled engines).
 550  *
 551  * Inputs: p_amb, R_air, T_amb, MAP, Displacement,
 552  *   RPM, volumetric_efficiency, ThrottleAngle
 553  *
 554  * TODO: Model inlet manifold air temperature.
 555  *
 556  * Outputs: rho_air, m_dot_air
 557  */
 558
 559 void FGPiston::doAirFlow(void)
 560 {
 561   rho_air = p_amb / (R_air * T_amb);
 562   double displacement_SI = Displacement * in3tom3;
 563   double swept_volume = (displacement_SI * (RPM/60)) / 2;
 564   double v_dot_air = swept_volume * volumetric_efficiency * map_coefficient;
 565
 566   double rho_air_manifold = MAP / (R_air * T_amb);
 567   m_dot_air = v_dot_air * rho_air_manifold;
 568 }
 569
 570 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 571 /**
 572  * Calculate the fuel flow into the engine.
 573  *
 574  * Inputs: Mixture, thi_sea_level, p_amb_sea_level, p_amb, m_dot_air
 575  *
 576  * Outputs: equivalence_ratio, m_dot_fuel
 577  */
 578
 579 void FGPiston::doFuelFlow(void)
 580 {
 581   double thi_sea_level = 1.3 * Mixture; // Allows an AFR of infinity:1 to 11.3075:1
 582   equivalence_ratio = thi_sea_level * 101325.0 / p_amb;
 583 //  double AFR = 10+(12*(1-Mixture));// mixture 10:1 to 22:1
 584 //  m_dot_fuel = m_dot_air / AFR;
 585   m_dot_fuel = (m_dot_air * equivalence_ratio) / 14.7;
 586   FuelFlowRate =  m_dot_fuel * 2.2046;  // kg to lb
 587   FuelFlow_pph = FuelFlowRate  * 3600;  // seconds to hours
 588   FuelFlow_gph = FuelFlow_pph / 6.0;    // Assumes 6 lbs / gallon
 589 }
 590
 591 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 592 /**
 593  * Calculate the power produced by the engine.
 594  *
 595  * Currently, the JSBSim propellor model does not allow the
 596  * engine to produce enough RPMs to get up to a high horsepower.
 597  * When tested with sufficient RPM, it has no trouble reaching
 598  * 200HP.
 599  *
 600  * Inputs: ManifoldPressure_inHg, p_amb, RPM, T_amb,
 601  *   Mixture_Efficiency_Correlation, Cycles, MaxHP
 602  *
 603  * Outputs: Percentage_Power, HP
 604  */
 605
 606 void FGPiston::doEnginePower(void)
 607 {
 608   if (Running) {
 609     double T_amb_degF = KelvinToFahrenheit(T_amb);
 610     double T_amb_sea_lev_degF = KelvinToFahrenheit(288);
 611
 612     // FIXME: this needs to be generalized
 613     double ME, friction, percent_RPM, power;  // Convienience term for use in the calculations
 614     ME = Mixture_Efficiency_Correlation->GetValue(m_dot_fuel/m_dot_air);
 615
 616     percent_RPM = RPM/MaxRPM;
 617     friction = 1 - (percent_RPM * percent_RPM * percent_RPM * percent_RPM/10);
 618     if (friction < 0 ) friction = 0;
 619     power = friction;
 620
 621     if ( Magnetos != 3 ) power *= SparkFailDrop;
 622
 623
 624     HP = (FuelFlow_gph * 6.0 / BSFC )* ME * map_coefficient * power;
 625
 626   } else {
 627
 628     // Power output when the engine is not running
 629     if (Cranking) {
 630       if (RPM < 10) {
 631         HP = StarterHP;
 632       } else if (RPM < IdleRPM*0.8) {
 633         HP = StarterHP + ((IdleRPM*0.8 - RPM) / 8.0);
 634         // This is a guess - would be nice to find a proper starter moter torque curve
 635       } else {
 636         HP = StarterHP;
 637       }
 638     } else {
 639       // Quick hack until we port the FMEP stuff
 640       if (RPM > 0.0)
 641         HP = -1.5;
 642       else
 643         HP = 0.0;
 644     }
 645   }
 646   Percentage_Power = HP / MaxHP ;
 647 //  cout << "Power = " << HP << "  RPM = " << RPM << "  Running = " << Running << "  Cranking = " << Cranking << endl;
 648 }
 649
 650 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 651 /**
 652  * Calculate the exhaust gas temperature.
 653  *
 654  * Inputs: equivalence_ratio, m_dot_fuel, calorific_value_fuel,
 655  *   Cp_air, m_dot_air, Cp_fuel, m_dot_fuel, T_amb, Percentage_Power
 656  *
 657  * Outputs: combustion_efficiency, ExhaustGasTemp_degK
 658  */
 659
 660 void FGPiston::doEGT(void)
 661 {
 662   double delta_T_exhaust;
 663   double enthalpy_exhaust;
 664   double heat_capacity_exhaust;
 665   double dEGTdt;
 666
 667   if ((Running) && (m_dot_air > 0.0)) {  // do the energy balance
 668     combustion_efficiency = Lookup_Combustion_Efficiency->GetValue(equivalence_ratio);
 669     enthalpy_exhaust = m_dot_fuel * calorific_value_fuel *
 670                               combustion_efficiency * 0.33;
 671     heat_capacity_exhaust = (Cp_air * m_dot_air) + (Cp_fuel * m_dot_fuel);
 672     delta_T_exhaust = enthalpy_exhaust / heat_capacity_exhaust;
 673     ExhaustGasTemp_degK = T_amb + delta_T_exhaust;
 674     ExhaustGasTemp_degK *= 0.444 + ((0.544 - 0.444) * Percentage_Power);
 675   } else {  // Drop towards ambient - guess an appropriate time constant for now
 676     combustion_efficiency = 0;
 677     dEGTdt = (RankineToKelvin(Atmosphere->GetTemperature()) - ExhaustGasTemp_degK) / 100.0;
 678     delta_T_exhaust = dEGTdt * dt;
 679     ExhaustGasTemp_degK += delta_T_exhaust;
 680   }
 681 }
 682
 683 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 684 /**
 685  * Calculate the cylinder head temperature.
 686  *
 687  * Inputs: T_amb, IAS, rho_air, m_dot_fuel, calorific_value_fuel,
 688  *   combustion_efficiency, RPM, MaxRPM
 689  *
 690  * Outputs: CylinderHeadTemp_degK
 691  */
 692
 693 void FGPiston::doCHT(void)
 694 {
 695   double h1 = -95.0;
 696   double h2 = -3.95;
 697   double h3 = -140.0; // -0.05 * 2800 (default maxrpm)
 698
 699   double arbitary_area = 1.0;
 700   double CpCylinderHead = 800.0;
 701   double MassCylinderHead = 8.0;
 702
 703   double temperature_difference = CylinderHeadTemp_degK - T_amb;
 704   double v_apparent = IAS * 0.5144444;
 705   double v_dot_cooling_air = arbitary_area * v_apparent;
 706   double m_dot_cooling_air = v_dot_cooling_air * rho_air;
 707   double dqdt_from_combustion =
 708     m_dot_fuel * calorific_value_fuel * combustion_efficiency * 0.33;
 709   double dqdt_forced = (h2 * m_dot_cooling_air * temperature_difference) +
 710     (h3 * RPM * temperature_difference / MaxRPM);
 711   double dqdt_free = h1 * temperature_difference;
 712   double dqdt_cylinder_head = dqdt_from_combustion + dqdt_forced + dqdt_free;
 713
 714   double HeatCapacityCylinderHead = CpCylinderHead * MassCylinderHead;
 715
 716   CylinderHeadTemp_degK +=
 717     (dqdt_cylinder_head / HeatCapacityCylinderHead) * dt;
 718 }
 719
 720 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 721 /**
 722  * Calculate the oil temperature.
 723  *
 724  * Inputs: CylinderHeadTemp_degK, T_amb, OilPressure_psi.
 725  *
 726  * Outputs: OilTemp_degK
 727  */
 728
 729 void FGPiston::doOilTemperature(void)
 730 {
 731   double idle_percentage_power = 0.023;        // approximately
 732   double target_oil_temp;        // Steady state oil temp at the current engine conditions
 733   double time_constant;          // The time constant for the differential equation
 734   double efficiency = 0.667;     // The aproximate oil cooling system efficiency // FIXME: may vary by engine
 735
 736 //  Target oil temp is interpolated between ambient temperature and Cylinder Head Tempurature
 737 //  target_oil_temp = ( T_amb * efficiency ) + (CylinderHeadTemp_degK *(1-efficiency)) ;
 738   target_oil_temp = CylinderHeadTemp_degK + efficiency * (T_amb - CylinderHeadTemp_degK) ;
 739
 740   if (OilPressure_psi > 5.0 ) {
 741     time_constant = 5000 / OilPressure_psi; // Guess at a time constant for circulated oil.
 742                                             // The higher the pressure the faster it reaches
 743                                             // target temperature.  Oil pressure should be about
 744                                             // 60 PSI yielding a TC of about 80.
 745   } else {
 746     time_constant = 1000;  // Time constant for engine-off; reflects the fact
 747                            // that oil is no longer getting circulated
 748   }
 749
 750   double dOilTempdt = (target_oil_temp - OilTemp_degK) / time_constant;
 751
 752   OilTemp_degK += (dOilTempdt * dt);
 753 }
 754
 755 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 756 /**
 757  * Calculate the oil pressure.
 758  *
 759  * Inputs: RPM, MaxRPM, OilTemp_degK
 760  *
 761  * Outputs: OilPressure_psi
 762  */
 763
 764 void FGPiston::doOilPressure(void)
 765 {
 766   double Oil_Press_Relief_Valve = 60; // FIXME: may vary by engine
 767   double Oil_Press_RPM_Max = MaxRPM * 0.75;    // 75% of max rpm FIXME: may vary by engine
 768   double Design_Oil_Temp = 358;          // degK; FIXME: may vary by engine
 769   double Oil_Viscosity_Index = 0.25;
 770
 771   OilPressure_psi = (Oil_Press_Relief_Valve / Oil_Press_RPM_Max) * RPM;
 772
 773   if (OilPressure_psi >= Oil_Press_Relief_Valve) {
 774     OilPressure_psi = Oil_Press_Relief_Valve;
 775   }
 776
 777   OilPressure_psi += (Design_Oil_Temp - OilTemp_degK) * Oil_Viscosity_Index * OilPressure_psi / Oil_Press_Relief_Valve;
 778 }
 779
 780 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 781
 782 string FGPiston::GetEngineLabels(string delimeter)
 783 {
 784   std::ostringstream buf;
 785
 786   buf << Name << " Power Available (engine " << EngineNumber << " in HP)" << delimeter
 787       << Name << " HP (engine " << EngineNumber << ")" << delimeter
 788       << Name << " equivalent ratio (engine " << EngineNumber << ")" << delimeter
 789       << Name << " MAP (engine " << EngineNumber << ")" << delimeter
 790       << Thruster->GetThrusterLabels(EngineNumber, delimeter);
 791
 792   return buf.str();
 793 }
 794
 795 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 796
 797 string FGPiston::GetEngineValues(string delimeter)
 798 {
 799   std::ostringstream buf;
 800
 801   buf << PowerAvailable << delimeter << HP << delimeter
 802       << equivalence_ratio << delimeter << MAP << delimeter
 803       << Thruster->GetThrusterValues(EngineNumber, delimeter);
 804
 805   return buf.str();
 806 }
 807
 808 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 809 //
 810 //    The bitmasked value choices are as follows:
 811 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 812 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 813 //       the config files as they are read. If the environment
 814 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 815 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 816 //       whatsoever.
 817 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 818 //       startup messages
 819 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 820 //       a class is instantiated
 821 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 822 //       FGModel object executes its Run() method
 823 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 824 //       are printed out periodically
 825 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 826 //       a message is printed out when they go out of bounds
 827
 828 void FGPiston::Debug(int from)
 829 {
 830   if (debug_lvl <= 0) return;
 831
 832   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 833     if (from == 0) { // Constructor
 834
 835       cout << "\n    Engine Name: "         << Name << endl;
 836       cout << "      MinManifoldPressure: " << MinManifoldPressure_inHg << endl;
 837       cout << "      MaxManifoldPressure: " << MaxManifoldPressure_inHg << endl;
 838       cout << "      MinMaP (Pa):         " << minMAP << endl;
 839       cout << "      MaxMaP (Pa): "         << maxMAP << endl;
 840       cout << "      Displacement: "        << Displacement             << endl;
 841       cout << "      MaxHP: "               << MaxHP                    << endl;
 842       cout << "      Cycles: "              << Cycles                   << endl;
 843       cout << "      IdleRPM: "             << IdleRPM                  << endl;
 844       cout << "      MaxThrottle: "         << MaxThrottle              << endl;
 845       cout << "      MinThrottle: "         << MinThrottle              << endl;
 846       cout << "      BSFC: "                << BSFC                     << endl;
 847
 848       cout << endl;
 849       cout << "      Combustion Efficiency table:" << endl;
 850       Lookup_Combustion_Efficiency->Print();
 851       cout << endl;
 852
 853       cout << endl;
 854       cout << "      Mixture Efficiency Correlation table:" << endl;
 855       Mixture_Efficiency_Correlation->Print();
 856       cout << endl;
 857
 858     }
 859   }
 860   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 861     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGPiston" << endl;
 862     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGPiston" << endl;
 863   }
 864   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 865   }
 866   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 867   }
 868   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 869   }
 870   if (debug_lvl & 64) {
 871     if (from == 0) { // Constructor
 872       cout << IdSrc << endl;
 873       cout << IdHdr << endl;
 874     }
 875   }
 876 }
 877 } // namespace JSBSim