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 (jon@jsbsim.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 "FGState.h"
  47 #include "models/FGAtmosphere.h"
  48 #include "models/FGPropulsion.h"
  49 #include "FGPropeller.h"
  50 #include <iostream>
  51
  52 using namespace std;
  53
  54 namespace JSBSim {
  55
  56 static const char *IdSrc = "$Id$";
  57 static const char *IdHdr = ID_PISTON;
  58
  59 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  60 CLASS IMPLEMENTATION
  61 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  62
  63 FGPiston::FGPiston(FGFDMExec* exec, Element* el, int engine_number)
  64   : FGEngine(exec, el, engine_number),
  65   R_air(287.3),                  // Gas constant for air J/Kg/K
  66   rho_fuel(800),                 // estimate
  67   calorific_value_fuel(47.3e6),
  68   Cp_air(1005),                  // Specific heat (constant pressure) J/Kg/K
  69   Cp_fuel(1700),
  70   standard_pressure(101320.73)
  71 {
  72   string token;
  73
  74   // Defaults and initializations
  75
  76   Type = etPiston;
  77   dt = State->Getdt();
  78
  79   // These items are read from the configuration file
  80   // Defaults are from a Lycoming O-360, more or less
  81
  82   Cycles = 4;
  83   IdleRPM = 600;
  84   MaxRPM = 2800;
  85   Displacement = 360;
  86   SparkFailDrop = 1.0;
  87   MaxHP = 200;
  88   MinManifoldPressure_inHg = 6.5;
  89   MaxManifoldPressure_inHg = 28.5;
  90   ISFC = -1;
  91   volumetric_efficiency = -0.1;
  92   Bore = 5.125;
  93   Stroke = 4.375;
  94   Cylinders = 4;
  95   CompressionRatio = 8.5;
  96   Z_airbox = -999;
  97   Ram_Air_Factor = 1;
  98   PeakMeanPistonSpeed_fps = 100;
  99
 100   // These are internal program variables
 101
 102   crank_counter = 0;
 103   Magnetos = 0;
 104   minMAP = 21950;
 105   maxMAP = 96250;
 106
 107   ResetToIC();
 108
 109   // Supercharging
 110   BoostSpeeds = 0;  // Default to no supercharging
 111   BoostSpeed = 0;
 112   Boosted = false;
 113   BoostOverride = 0;
 114   BoostManual = 0;
 115   bBoostOverride = false;
 116   bTakeoffBoost = false;
 117   TakeoffBoost = 0.0;   // Default to no extra takeoff-boost
 118   int i;
 119   for (i=0; i<FG_MAX_BOOST_SPEEDS; i++) {
 120     RatedBoost[i] = 0.0;
 121     RatedPower[i] = 0.0;
 122     RatedAltitude[i] = 0.0;
 123     BoostMul[i] = 1.0;
 124     RatedMAP[i] = 100000;
 125     RatedRPM[i] = 2500;
 126     TakeoffMAP[i] = 100000;
 127   }
 128   for (i=0; i<FG_MAX_BOOST_SPEEDS-1; i++) {
 129     BoostSwitchAltitude[i] = 0.0;
 130     BoostSwitchPressure[i] = 0.0;
 131   }
 132
 133   // First column is thi, second is neta (combustion efficiency)
 134   Lookup_Combustion_Efficiency = new FGTable(12);
 135   *Lookup_Combustion_Efficiency << 0.00 << 0.980;
 136   *Lookup_Combustion_Efficiency << 0.90 << 0.980;
 137   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.00 << 0.970;
 138   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.05 << 0.950;
 139   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.10 << 0.900;
 140   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.15 << 0.850;
 141   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.20 << 0.790;
 142   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.30 << 0.700;
 143   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.40 << 0.630;
 144   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.50 << 0.570;
 145   *Lookup_Combustion_Efficiency << 1.60 << 0.525;
 146   *Lookup_Combustion_Efficiency << 2.00 << 0.345;
 147
 148   Mixture_Efficiency_Correlation = new FGTable(15);
 149   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05000 << 0.00000;
 150   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05137 << 0.00862;
 151   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05179 << 0.21552;
 152   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05430 << 0.48276;
 153   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.05842 << 0.70690;
 154   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.06312 << 0.83621;
 155   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.06942 << 0.93103;
 156   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.07786 << 1.00000;
 157   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.08845 << 1.00000;
 158   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.09270 << 0.98276;
 159   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.10120 << 0.93103;
 160   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.11455 << 0.72414;
 161   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.12158 << 0.45690;
 162   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.12435 << 0.23276;
 163   *Mixture_Efficiency_Correlation << 0.12500 << 0.00000;
 164
 165
 166   // Read inputs from engine data file where present.
 167
 168   if (el->FindElement("minmp")) // Should have ELSE statement telling default value used?
 169     MinManifoldPressure_inHg = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("minmp","INHG");
 170   if (el->FindElement("maxmp"))
 171     MaxManifoldPressure_inHg = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("maxmp","INHG");
 172   if (el->FindElement("displacement"))
 173     Displacement = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("displacement","IN3");
 174   if (el->FindElement("maxhp"))
 175     MaxHP = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("maxhp","HP");
 176   if (el->FindElement("sparkfaildrop"))
 177     SparkFailDrop = Constrain(0, 1 - el->FindElementValueAsNumber("sparkfaildrop"), 1);
 178   if (el->FindElement("cycles"))
 179     Cycles = el->FindElementValueAsNumber("cycles");
 180   if (el->FindElement("idlerpm"))
 181     IdleRPM = el->FindElementValueAsNumber("idlerpm");
 182   if (el->FindElement("maxrpm"))
 183     MaxRPM = el->FindElementValueAsNumber("maxrpm");
 184   if (el->FindElement("maxthrottle"))
 185     MaxThrottle = el->FindElementValueAsNumber("maxthrottle");
 186   if (el->FindElement("minthrottle"))
 187     MinThrottle = el->FindElementValueAsNumber("minthrottle");
 188   if (el->FindElement("bsfc"))
 189     ISFC = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("bsfc", "LBS/HP*HR");
 190   if (el->FindElement("volumetric-efficiency"))
 191     volumetric_efficiency = el->FindElementValueAsNumber("volumetric-efficiency");
 192   if (el->FindElement("compression-ratio"))
 193     CompressionRatio = el->FindElementValueAsNumber("compression-ratio");
 194   if (el->FindElement("bore"))
 195     Bore = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("bore","IN");
 196   if (el->FindElement("stroke"))
 197     Stroke = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("stroke","IN");
 198   if (el->FindElement("cylinders"))
 199     Cylinders = el->FindElementValueAsNumber("cylinders");
 200   if (el->FindElement("air-intake-impedance-factor"))
 201     Z_airbox = el->FindElementValueAsNumber("air-intake-impedance-factor");
 202   if (el->FindElement("ram-air-factor"))
 203     Ram_Air_Factor  = el->FindElementValueAsNumber("ram-air-factor");
 204   if (el->FindElement("peak-piston-speed"))
 205     PeakMeanPistonSpeed_fps  = el->FindElementValueAsNumber("peak-piston-speed");
 206   if (el->FindElement("numboostspeeds")) { // Turbo- and super-charging parameters
 207     BoostSpeeds = (int)el->FindElementValueAsNumber("numboostspeeds");
 208     if (el->FindElement("boostoverride"))
 209       BoostOverride = (int)el->FindElementValueAsNumber("boostoverride");
 210     if (el->FindElement("boostmanual"))
 211       BoostManual = (int)el->FindElementValueAsNumber("boostmanual");
 212     if (el->FindElement("takeoffboost"))
 213       TakeoffBoost = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("takeoffboost", "PSI");
 214     if (el->FindElement("ratedboost1"))
 215       RatedBoost[0] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedboost1", "PSI");
 216     if (el->FindElement("ratedboost2"))
 217       RatedBoost[1] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedboost2", "PSI");
 218     if (el->FindElement("ratedboost3"))
 219       RatedBoost[2] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedboost3", "PSI");
 220     if (el->FindElement("ratedpower1"))
 221       RatedPower[0] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedpower1", "HP");
 222     if (el->FindElement("ratedpower2"))
 223       RatedPower[1] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedpower2", "HP");
 224     if (el->FindElement("ratedpower3"))
 225       RatedPower[2] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedpower3", "HP");
 226     if (el->FindElement("ratedrpm1"))
 227       RatedRPM[0] = el->FindElementValueAsNumber("ratedrpm1");
 228     if (el->FindElement("ratedrpm2"))
 229       RatedRPM[1] = el->FindElementValueAsNumber("ratedrpm2");
 230     if (el->FindElement("ratedrpm3"))
 231       RatedRPM[2] = el->FindElementValueAsNumber("ratedrpm3");
 232     if (el->FindElement("ratedaltitude1"))
 233       RatedAltitude[0] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedaltitude1", "FT");
 234     if (el->FindElement("ratedaltitude2"))
 235       RatedAltitude[1] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedaltitude2", "FT");
 236     if (el->FindElement("ratedaltitude3"))
 237       RatedAltitude[2] = el->FindElementValueAsNumberConvertTo("ratedaltitude3", "FT");
 238   }
 239
 240   StarterHP = sqrt(MaxHP) * 0.4;
 241   displacement_SI = Displacement * in3tom3;
 242
 243   // Create IFSC and VE to match the engine if not provided
 244   int calculated_ve=0;
 245   if (volumetric_efficiency < 0) {
 246       volumetric_efficiency = MaxManifoldPressure_inHg / 29.92;
 247       calculated_ve=1;
 248   }
 249   if (ISFC < 0) {
 250       double pmep = MaxManifoldPressure_inHg > 29.92 ? 0 : 29.92 - MaxManifoldPressure_inHg;
 251       pmep *= inhgtopa;
 252       double fmep = (18400 * (2*(Stroke/12)*(MaxRPM/60)) * fttom + 46500)/2;
 253       double hp_loss = ((pmep + fmep) * displacement_SI * MaxRPM)/(Cycles*22371);
 254       ISFC = ( Displacement * MaxRPM * volumetric_efficiency ) / (9411 * (MaxHP+hp_loss));
 255 // cout <<"FMEP: "<< fmep <<" PMEP: "<< pmep << " hp_loss: " <<hp_loss <<endl;
 256   }
 257   if ( MaxManifoldPressure_inHg > 29.9 ) {   // Don't allow boosting with a bogus number
 258       MaxManifoldPressure_inHg = 29.9;
 259       if (calculated_ve) volumetric_efficiency = 1.0;
 260   }
 261   minMAP = MinManifoldPressure_inHg * inhgtopa;  // inHg to Pa
 262   maxMAP = MaxManifoldPressure_inHg * inhgtopa;
 263
 264 // For throttle
 265   RatedMeanPistonSpeed_fps =  ( MaxRPM * Stroke) / (360); // AKA 2 * (RPM/60) * ( Stroke / 12) or 2NS
 266   if(Z_airbox < 998){
 267     double Ze=RatedMeanPistonSpeed_fps/PeakMeanPistonSpeed_fps; // engine impedence
 268     Z_airbox = (standard_pressure *Ze / maxMAP) - Ze; // impedence of airbox
 269   }
 270   Z_throttle=(((MaxRPM * Stroke) / 360)/((IdleRPM * Stroke) / 360))*(standard_pressure/minMAP - 1) - Z_airbox; // Constant for Throttle impedence
 271
 272   string property_name, base_property_name;
 273   base_property_name = CreateIndexedPropertyName("propulsion/engine", EngineNumber);
 274   property_name = base_property_name + "/power-hp";
 275   PropertyManager->Tie(property_name, &HP);
 276   property_name = base_property_name + "/bsfc-lbs_hphr";
 277   PropertyManager->Tie(property_name, &ISFC);
 278   property_name = base_property_name + "/volumetric-efficiency";
 279   PropertyManager->Tie(property_name, &volumetric_efficiency);
 280   property_name = base_property_name + "/map-pa";
 281   PropertyManager->Tie(property_name, &MAP);
 282   property_name = base_property_name + "/map-inhg";
 283   PropertyManager->Tie(property_name, &ManifoldPressure_inHg);
 284   property_name = base_property_name + "/air-intake-impedance-factor";
 285   PropertyManager->Tie(property_name, &Z_airbox);
 286   property_name = base_property_name + "/ram-air-factor";
 287   PropertyManager->Tie(property_name, &Ram_Air_Factor);
 288   property_name = base_property_name + "/boost-speed";
 289   PropertyManager->Tie(property_name, &BoostSpeed);
 290
 291   // Set up and sanity-check the turbo/supercharging configuration based on the input values.
 292   if (TakeoffBoost > RatedBoost[0]) bTakeoffBoost = true;
 293   for (i=0; i<BoostSpeeds; ++i) {
 294     bool bad = false;
 295     if (RatedBoost[i] <= 0.0) bad = true;
 296     if (RatedPower[i] <= 0.0) bad = true;
 297     if (RatedAltitude[i] < 0.0) bad = true;  // 0.0 is deliberately allowed - this corresponds to unregulated supercharging.
 298     if (i > 0 && RatedAltitude[i] < RatedAltitude[i - 1]) bad = true;
 299     if (bad) {
 300       // We can't recover from the above - don't use this supercharger speed.
 301       BoostSpeeds--;
 302       // TODO - put out a massive error message!
 303       break;
 304     }
 305     // Now sanity-check stuff that is recoverable.
 306     if (i < BoostSpeeds - 1) {
 307       if (BoostSwitchAltitude[i] < RatedAltitude[i]) {
 308         // TODO - put out an error message
 309         // But we can also make a reasonable estimate, as below.
 310         BoostSwitchAltitude[i] = RatedAltitude[i] + 1000;
 311       }
 312       BoostSwitchPressure[i] = Atmosphere->GetPressure(BoostSwitchAltitude[i]) * psftopa;
 313       //cout << "BoostSwitchAlt = " << BoostSwitchAltitude[i] << ", pressure = " << BoostSwitchPressure[i] << '\n';
 314       // Assume there is some hysteresis on the supercharger gear switch, and guess the value for now
 315       BoostSwitchHysteresis = 1000;
 316     }
 317     // Now work out the supercharger pressure multiplier of this speed from the rated boost and altitude.
 318     RatedMAP[i] = Atmosphere->GetPressureSL() * psftopa + RatedBoost[i] * 6895;  // psi*6895 = Pa.
 319     // Sometimes a separate BCV setting for takeoff or extra power is fitted.
 320     if (TakeoffBoost > RatedBoost[0]) {
 321       // Assume that the effect on the BCV is the same whichever speed is in use.
 322       TakeoffMAP[i] = RatedMAP[i] + ((TakeoffBoost - RatedBoost[0]) * 6895);
 323       bTakeoffBoost = true;
 324     } else {
 325       TakeoffMAP[i] = RatedMAP[i];
 326       bTakeoffBoost = false;
 327     }
 328     BoostMul[i] = RatedMAP[i] / (Atmosphere->GetPressure(RatedAltitude[i]) * psftopa);
 329
 330   }
 331
 332   if (BoostSpeeds > 0) {
 333     Boosted = true;
 334     BoostSpeed = 0;
 335   }
 336   bBoostOverride = (BoostOverride == 1 ? true : false);
 337   bBoostManual   = (BoostManual   == 1 ? true : false);
 338   Debug(0); // Call Debug() routine from constructor if needed
 339 }
 340
 341 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 342
 343 FGPiston::~FGPiston()
 344 {
 345   delete Lookup_Combustion_Efficiency;
 346   delete Mixture_Efficiency_Correlation;
 347   Debug(1); // Call Debug() routine from constructor if needed
 348 }
 349
 350 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 351
 352 void FGPiston::ResetToIC(void)
 353 {
 354   FGEngine::ResetToIC();
 355
 356   ManifoldPressure_inHg = Atmosphere->GetPressure() * psftoinhg; // psf to in Hg
 357   MAP = Atmosphere->GetPressure() * psftopa;
 358   TMAP = MAP;
 359   double airTemperature_degK = RankineToKelvin(Atmosphere->GetTemperature());
 360   OilTemp_degK = airTemperature_degK;
 361   CylinderHeadTemp_degK = airTemperature_degK;
 362   ExhaustGasTemp_degK = airTemperature_degK;
 363   EGT_degC = ExhaustGasTemp_degK - 273;
 364   Thruster->SetRPM(0.0);
 365   RPM = 0.0;
 366   OilPressure_psi = 0.0;
 367 }
 368
 369 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 370
 371 double FGPiston::Calculate(void)
 372 {
 373   if (FuelFlow_gph > 0.0) ConsumeFuel();
 374
 375   Throttle = FCS->GetThrottlePos(EngineNumber);
 376   // calculate the throttle plate angle.  1 unit is approx pi/2 radians.
 377   ThrottleAngle = MinThrottle+((MaxThrottle-MinThrottle)*Throttle );
 378   Mixture = FCS->GetMixturePos(EngineNumber);
 379
 380   //
 381   // Input values.
 382   //
 383
 384   p_amb = Atmosphere->GetPressure() * psftopa;
 385   double p = Auxiliary->GetTotalPressure() * psftopa;
 386   p_ram = (p - p_amb) * Ram_Air_Factor + p_amb;
 387   T_amb = RankineToKelvin(Atmosphere->GetTemperature());
 388
 389   RPM = Thruster->GetRPM() * Thruster->GetGearRatio();
 390   MeanPistonSpeed_fps =  ( RPM * Stroke) / (360); // AKA 2 * (RPM/60) * ( Stroke / 12) or 2NS
 391
 392   IAS = Auxiliary->GetVcalibratedKTS();
 393
 394   doEngineStartup();
 395   if (Boosted) doBoostControl();
 396   doMAP();
 397   doAirFlow();
 398   doFuelFlow();
 399
 400   //Now that the fuel flow is done check if the mixture is too lean to run the engine
 401   //Assume lean limit at 22 AFR for now - thats a thi of 0.668
 402   //This might be a bit generous, but since there's currently no audiable warning of impending
 403   //cutout in the form of misfiring and/or rough running its probably reasonable for now.
 404 //  if (equivalence_ratio < 0.668)
 405 //    Running = false;
 406
 407   doEnginePower();
 408   if (IndicatedHorsePower < 0.1250) Running = false;
 409
 410   doEGT();
 411   doCHT();
 412   doOilTemperature();
 413   doOilPressure();
 414
 415   if (Thruster->GetType() == FGThruster::ttPropeller) {
 416     ((FGPropeller*)Thruster)->SetAdvance(FCS->GetPropAdvance(EngineNumber));
 417     ((FGPropeller*)Thruster)->SetFeather(FCS->GetPropFeather(EngineNumber));
 418   }
 419
 420   PowerAvailable = (HP * hptoftlbssec) - Thruster->GetPowerRequired();
 421
 422   return Thruster->Calculate(PowerAvailable);
 423 }
 424
 425 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 426
 427 double FGPiston::CalcFuelNeed(void)
 428 {
 429   double dT = State->Getdt() * Propulsion->GetRate();
 430   FuelExpended = FuelFlowRate * dT;
 431   return FuelExpended;
 432 }
 433
 434 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 435
 436 int FGPiston::InitRunning(void) {
 437   Magnetos=3;
 438   //Thruster->SetRPM( 1.1*IdleRPM/Thruster->GetGearRatio() );
 439   Thruster->SetRPM( 1000 );
 440   Running=true;
 441   return 1;
 442 }
 443
 444 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 445 /**
 446  * Start or stop the engine.
 447  */
 448
 449 void FGPiston::doEngineStartup(void)
 450 {
 451   // Check parameters that may alter the operating state of the engine.
 452   // (spark, fuel, starter motor etc)
 453   bool spark;
 454   bool fuel;
 455
 456   // Check for spark
 457   Magneto_Left = false;
 458   Magneto_Right = false;
 459   // Magneto positions:
 460   // 0 -> off
 461   // 1 -> left only
 462   // 2 -> right only
 463   // 3 -> both
 464   if (Magnetos != 0) {
 465     spark = true;
 466   } else {
 467     spark = false;
 468   }  // neglects battery voltage, master on switch, etc for now.
 469
 470   if ((Magnetos == 1) || (Magnetos > 2)) Magneto_Left = true;
 471   if (Magnetos > 1)  Magneto_Right = true;
 472
 473   // Assume we have fuel for now
 474   fuel = !Starved;
 475
 476   // Check if we are turning the starter motor
 477   if (Cranking != Starter) {
 478     // This check saves .../cranking from getting updated every loop - they
 479     // only update when changed.
 480     Cranking = Starter;
 481     crank_counter = 0;
 482   }
 483
 484   if (Cranking) crank_counter++;  //Check mode of engine operation
 485
 486   if (!Running && spark && fuel) {  // start the engine if revs high enough
 487     if (Cranking) {
 488       if ((RPM > IdleRPM*0.8) && (crank_counter > 175)) // Add a little delay to startup
 489         Running = true;                         // on the starter
 490     } else {
 491       if (RPM > IdleRPM*0.8)                            // This allows us to in-air start
 492         Running = true;                         // when windmilling
 493     }
 494   }
 495
 496   // Cut the engine *power* - Note: the engine may continue to
 497   // spin if the prop is in a moving airstream
 498
 499   if ( Running && (!spark || !fuel) ) Running = false;
 500
 501   // Check for stalling (RPM = 0).
 502   if (Running) {
 503     if (RPM == 0) {
 504       Running = false;
 505     } else if ((RPM <= IdleRPM *0.8 ) && (Cranking)) {
 506       Running = false;
 507     }
 508   }
 509 }
 510
 511 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 512
 513 /**
 514  * Calculate the Current Boost Speed
 515  *
 516  * This function calculates the current turbo/supercharger boost speed
 517  * based on altitude and the (automatic) boost-speed control valve configuration.
 518  *
 519  * Inputs: p_amb, BoostSwitchPressure, BoostSwitchHysteresis
 520  *
 521  * Outputs: BoostSpeed
 522  */
 523
 524 void FGPiston::doBoostControl(void)
 525 {
 526   if(BoostManual) {
 527     if(BoostSpeed > BoostSpeeds-1) BoostSpeed = BoostSpeeds-1;
 528     if(BoostSpeed < 0) BoostSpeed = 0;
 529   } else {
 530     if(BoostSpeed < BoostSpeeds - 1) {
 531       // Check if we need to change to a higher boost speed
 532       if(p_amb < BoostSwitchPressure[BoostSpeed] - BoostSwitchHysteresis) {
 533         BoostSpeed++;
 534       }
 535     } else if(BoostSpeed > 0) {
 536       // Check if we need to change to a lower boost speed
 537       if(p_amb > BoostSwitchPressure[BoostSpeed - 1] + BoostSwitchHysteresis) {
 538         BoostSpeed--;
 539       }
 540     }
 541   }
 542 }
 543
 544 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 545
 546 /**
 547  * Calculate the manifold absolute pressure (MAP) in inches hg
 548  *
 549  * This function calculates manifold absolute pressure (MAP)
 550  * from the throttle position, turbo/supercharger boost control
 551  * system, engine speed and local ambient air density.
 552  *
 553  * Inputs: p_amb, Throttle, ThrottleAngle,
 554  *         MeanPistonSpeed_fps, dt
 555  *
 556  * Outputs: MAP, ManifoldPressure_inHg, TMAP
 557  */
 558
 559 void FGPiston::doMAP(void)
 560 {
 561   double Zt =(1-Throttle)*(1-Throttle)*Z_throttle; // throttle impedence
 562   double Ze= MeanPistonSpeed_fps > 0 ? PeakMeanPistonSpeed_fps/MeanPistonSpeed_fps : 999999; // engine impedence
 563
 564   double map_coefficient = Ze/(Ze+Z_airbox+Zt);
 565
 566   // Add a one second lag to manifold pressure changes
 567   double dMAP = (TMAP - p_ram * map_coefficient) * dt;
 568   TMAP -=dMAP;
 569
 570   // Find the mean effective pressure required to achieve this manifold pressure
 571   // Fixme: determine the HP consumed by the supercharger
 572
 573   PMEP = TMAP - p_amb; // Fixme: p_amb should be exhaust manifold pressure
 574
 575   if (Boosted) {
 576     // If takeoff boost is fitted, we currently assume the following throttle map:
 577     // (In throttle % - actual input is 0 -> 1)
 578     // 99 / 100 - Takeoff boost
 579     // In real life, most planes would be fitted with a mechanical 'gate' between
 580     // the rated boost and takeoff boost positions.
 581
 582     bool bTakeoffPos = false;
 583     if (bTakeoffBoost) {
 584       if (Throttle > 0.98) {
 585         bTakeoffPos = true;
 586       }
 587     }
 588     // Boost the manifold pressure.
 589     double boost_factor = (( BoostMul[BoostSpeed] - 1 ) / RatedRPM[BoostSpeed] ) * RPM + 1;
 590     MAP = TMAP * boost_factor;
 591     // Now clip the manifold pressure to BCV or Wastegate setting.
 592     if (bTakeoffPos) {
 593       if (MAP > TakeoffMAP[BoostSpeed]) MAP = TakeoffMAP[BoostSpeed];
 594     } else {
 595       if (MAP > RatedMAP[BoostSpeed]) MAP = RatedMAP[BoostSpeed];
 596     }
 597   } else {
 598       MAP = TMAP;
 599   }
 600
 601   // And set the value in American units as well
 602   ManifoldPressure_inHg = MAP / inhgtopa;
 603 }
 604
 605 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 606 /**
 607  * Calculate the air flow through the engine.
 608  * Also calculates ambient air density
 609  * (used in CHT calculation for air-cooled engines).
 610  *
 611  * Inputs: p_amb, R_air, T_amb, MAP, Displacement,
 612  *   RPM, volumetric_efficiency, ThrottleAngle
 613  *
 614  * TODO: Model inlet manifold air temperature.
 615  *
 616  * Outputs: rho_air, m_dot_air
 617  */
 618
 619 void FGPiston::doAirFlow(void)
 620 {
 621   double gamma = 1.1; // specific heat constants
 622 // loss of volumentric efficiency due to difference between MAP and exhaust pressure
 623   double ve =((gamma-1)/gamma)+( CompressionRatio -(p_amb/MAP))/(gamma*( CompressionRatio - 1));
 624
 625   rho_air = p_amb / (R_air * T_amb);
 626   double swept_volume = (displacement_SI * (RPM/60)) / 2;
 627   double v_dot_air = swept_volume * volumetric_efficiency *ve;
 628
 629   double rho_air_manifold = MAP / (R_air * T_amb);
 630   m_dot_air = v_dot_air * rho_air_manifold;
 631
 632 }
 633
 634 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 635 /**
 636  * Calculate the fuel flow into the engine.
 637  *
 638  * Inputs: Mixture, thi_sea_level, p_amb, m_dot_air
 639  *
 640  * Outputs: equivalence_ratio, m_dot_fuel
 641  */
 642
 643 void FGPiston::doFuelFlow(void)
 644 {
 645   double thi_sea_level = 1.3 * Mixture; // Allows an AFR of infinity:1 to 11.3075:1
 646   equivalence_ratio = thi_sea_level * 101325.0 / p_amb;
 647 //  double AFR = 10+(12*(1-Mixture));// mixture 10:1 to 22:1
 648 //  m_dot_fuel = m_dot_air / AFR;
 649   m_dot_fuel = (m_dot_air * equivalence_ratio) / 14.7;
 650   FuelFlowRate =  m_dot_fuel * 2.2046;  // kg to lb
 651   FuelFlow_pph = FuelFlowRate  * 3600;  // seconds to hours
 652   FuelFlow_gph = FuelFlow_pph / 6.0;    // Assumes 6 lbs / gallon
 653 }
 654
 655 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 656 /**
 657  * Calculate the power produced by the engine.
 658  *
 659  * Currently, the JSBSim propellor model does not allow the
 660  * engine to produce enough RPMs to get up to a high horsepower.
 661  * When tested with sufficient RPM, it has no trouble reaching
 662  * 200HP.
 663  *
 664  * Inputs: ManifoldPressure_inHg, p_amb, RPM, T_amb,
 665  *   Mixture_Efficiency_Correlation, Cycles, MaxHP, PMEP,
 666  *
 667  * Outputs: PctPower, HP
 668  */
 669
 670 void FGPiston::doEnginePower(void)
 671 {
 672   IndicatedHorsePower = 0;
 673   FMEP = 0;
 674   if (Running) {
 675     // FIXME: this needs to be generalized
 676     double ME, percent_RPM, power;  // Convienience term for use in the calculations
 677     ME = Mixture_Efficiency_Correlation->GetValue(m_dot_fuel/m_dot_air);
 678
 679     percent_RPM = RPM/MaxRPM;
 680 // Guestimate engine friction as a percentage of rated HP + a percentage of rpm + a percentage of Indicted HP
 681 //    friction = 1 - (percent_RPM * percent_RPM * percent_RPM/10);
 682     FMEP = (-18400 * MeanPistonSpeed_fps * fttom - 46500);
 683
 684     power = 1;
 685
 686     if ( Magnetos != 3 ) power *= SparkFailDrop;
 687
 688
 689     IndicatedHorsePower = (FuelFlow_pph / ISFC )* ME * power;
 690
 691   } else {
 692     // Power output when the engine is not running
 693     if (Cranking) {
 694       if (RPM < 10) {
 695         IndicatedHorsePower = StarterHP;
 696       } else if (RPM < IdleRPM*0.8) {
 697         IndicatedHorsePower = StarterHP + ((IdleRPM*0.8 - RPM) / 8.0);
 698         // This is a guess - would be nice to find a proper starter moter torque curve
 699       } else {
 700         IndicatedHorsePower = StarterHP;
 701       }
 702     }
 703   }
 704
 705   // Constant is (1/2) * 60 * 745.7
 706   // (1/2) convert cycles, 60 minutes to seconds, 745.7 watts to hp.
 707   double pumping_hp = ((PMEP + FMEP) * displacement_SI * RPM)/(Cycles*22371);
 708
 709   HP = IndicatedHorsePower + pumping_hp - 1.5; //FIXME 1.5 static friction should depend on oil temp and configuration
 710 //  cout << "pumping_hp " <<pumping_hp << FMEP << PMEP <<endl;
 711   PctPower = HP / MaxHP ;
 712 //  cout << "Power = " << HP << "  RPM = " << RPM << "  Running = " << Running << "  Cranking = " << Cranking << endl;
 713 }
 714
 715 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 716 /**
 717  * Calculate the exhaust gas temperature.
 718  *
 719  * Inputs: equivalence_ratio, m_dot_fuel, calorific_value_fuel,
 720  *   Cp_air, m_dot_air, Cp_fuel, m_dot_fuel, T_amb, PctPower
 721  *
 722  * Outputs: combustion_efficiency, ExhaustGasTemp_degK
 723  */
 724
 725 void FGPiston::doEGT(void)
 726 {
 727   double delta_T_exhaust;
 728   double enthalpy_exhaust;
 729   double heat_capacity_exhaust;
 730   double dEGTdt;
 731
 732   if ((Running) && (m_dot_air > 0.0)) {  // do the energy balance
 733     combustion_efficiency = Lookup_Combustion_Efficiency->GetValue(equivalence_ratio);
 734     enthalpy_exhaust = m_dot_fuel * calorific_value_fuel *
 735                               combustion_efficiency * 0.33;
 736     heat_capacity_exhaust = (Cp_air * m_dot_air) + (Cp_fuel * m_dot_fuel);
 737     delta_T_exhaust = enthalpy_exhaust / heat_capacity_exhaust;
 738     ExhaustGasTemp_degK = T_amb + delta_T_exhaust;
 739     ExhaustGasTemp_degK *= 0.444 + ((0.544 - 0.444) * PctPower);
 740   } else {  // Drop towards ambient - guess an appropriate time constant for now
 741     combustion_efficiency = 0;
 742     dEGTdt = (RankineToKelvin(Atmosphere->GetTemperature()) - ExhaustGasTemp_degK) / 100.0;
 743     delta_T_exhaust = dEGTdt * dt;
 744     ExhaustGasTemp_degK += delta_T_exhaust;
 745   }
 746 }
 747
 748 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 749 /**
 750  * Calculate the cylinder head temperature.
 751  *
 752  * Inputs: T_amb, IAS, rho_air, m_dot_fuel, calorific_value_fuel,
 753  *   combustion_efficiency, RPM, MaxRPM, Displacement
 754  *
 755  * Outputs: CylinderHeadTemp_degK
 756  */
 757
 758 void FGPiston::doCHT(void)
 759 {
 760   double h1 = -95.0;
 761   double h2 = -3.95;
 762   double h3 = -140.0; // -0.05 * 2800 (default maxrpm)
 763
 764   double arbitary_area = 1.0;
 765   double CpCylinderHead = 800.0;
 766   double MassCylinderHead = 8.0;
 767
 768   double temperature_difference = CylinderHeadTemp_degK - T_amb;
 769   double v_apparent = IAS * 0.5144444;
 770   double v_dot_cooling_air = arbitary_area * v_apparent;
 771   double m_dot_cooling_air = v_dot_cooling_air * rho_air;
 772   double dqdt_from_combustion =
 773     m_dot_fuel * calorific_value_fuel * combustion_efficiency * 0.33;
 774   double dqdt_forced = (h2 * m_dot_cooling_air * temperature_difference) +
 775     (h3 * RPM * temperature_difference / MaxRPM);
 776   double dqdt_free = h1 * temperature_difference;
 777   double dqdt_cylinder_head = dqdt_from_combustion + dqdt_forced + dqdt_free;
 778
 779   double HeatCapacityCylinderHead = CpCylinderHead * MassCylinderHead;
 780
 781   CylinderHeadTemp_degK +=
 782     (dqdt_cylinder_head / HeatCapacityCylinderHead) * dt;
 783 }
 784
 785 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 786 /**
 787  * Calculate the oil temperature.
 788  *
 789  * Inputs: CylinderHeadTemp_degK, T_amb, OilPressure_psi.
 790  *
 791  * Outputs: OilTemp_degK
 792  */
 793
 794 void FGPiston::doOilTemperature(void)
 795 {
 796   double target_oil_temp;        // Steady state oil temp at the current engine conditions
 797   double time_constant;          // The time constant for the differential equation
 798   double efficiency = 0.667;     // The aproximate oil cooling system efficiency // FIXME: may vary by engine
 799
 800 //  Target oil temp is interpolated between ambient temperature and Cylinder Head Tempurature
 801 //  target_oil_temp = ( T_amb * efficiency ) + (CylinderHeadTemp_degK *(1-efficiency)) ;
 802   target_oil_temp = CylinderHeadTemp_degK + efficiency * (T_amb - CylinderHeadTemp_degK) ;
 803
 804   if (OilPressure_psi > 5.0 ) {
 805     time_constant = 5000 / OilPressure_psi; // Guess at a time constant for circulated oil.
 806                                             // The higher the pressure the faster it reaches
 807                                             // target temperature.  Oil pressure should be about
 808                                             // 60 PSI yielding a TC of about 80.
 809   } else {
 810     time_constant = 1000;  // Time constant for engine-off; reflects the fact
 811                            // that oil is no longer getting circulated
 812   }
 813
 814   double dOilTempdt = (target_oil_temp - OilTemp_degK) / time_constant;
 815
 816   OilTemp_degK += (dOilTempdt * dt);
 817 }
 818
 819 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 820 /**
 821  * Calculate the oil pressure.
 822  *
 823  * Inputs: RPM, MaxRPM, OilTemp_degK
 824  *
 825  * Outputs: OilPressure_psi
 826  */
 827
 828 void FGPiston::doOilPressure(void)
 829 {
 830   double Oil_Press_Relief_Valve = 60; // FIXME: may vary by engine
 831   double Oil_Press_RPM_Max = MaxRPM * 0.75;    // 75% of max rpm FIXME: may vary by engine
 832   double Design_Oil_Temp = 358;          // degK; FIXME: may vary by engine
 833   double Oil_Viscosity_Index = 0.25;
 834
 835   OilPressure_psi = (Oil_Press_Relief_Valve / Oil_Press_RPM_Max) * RPM;
 836
 837   if (OilPressure_psi >= Oil_Press_Relief_Valve) {
 838     OilPressure_psi = Oil_Press_Relief_Valve;
 839   }
 840
 841   OilPressure_psi += (Design_Oil_Temp - OilTemp_degK) * Oil_Viscosity_Index * OilPressure_psi / Oil_Press_Relief_Valve;
 842 }
 843
 844 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 845
 846 string FGPiston::GetEngineLabels(const string& delimiter)
 847 {
 848   std::ostringstream buf;
 849
 850   buf << Name << " Power Available (engine " << EngineNumber << " in HP)" << delimiter
 851       << Name << " HP (engine " << EngineNumber << ")" << delimiter
 852       << Name << " equivalent ratio (engine " << EngineNumber << ")" << delimiter
 853       << Name << " MAP (engine " << EngineNumber << " in inHg)" << delimiter
 854       << Thruster->GetThrusterLabels(EngineNumber, delimiter);
 855
 856   return buf.str();
 857 }
 858
 859 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 860
 861 string FGPiston::GetEngineValues(const string& delimiter)
 862 {
 863   std::ostringstream buf;
 864
 865   buf << PowerAvailable << delimiter << HP << delimiter
 866       << equivalence_ratio << delimiter << ManifoldPressure_inHg << delimiter
 867       << Thruster->GetThrusterValues(EngineNumber, delimiter);
 868
 869   return buf.str();
 870 }
 871
 872 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 873 //
 874 //    The bitmasked value choices are as follows:
 875 //    unset: In this case (the default) JSBSim would only print
 876 //       out the normally expected messages, essentially echoing
 877 //       the config files as they are read. If the environment
 878 //       variable is not set, debug_lvl is set to 1 internally
 879 //    0: This requests JSBSim not to output any messages
 880 //       whatsoever.
 881 //    1: This value explicity requests the normal JSBSim
 882 //       startup messages
 883 //    2: This value asks for a message to be printed out when
 884 //       a class is instantiated
 885 //    4: When this value is set, a message is displayed when a
 886 //       FGModel object executes its Run() method
 887 //    8: When this value is set, various runtime state variables
 888 //       are printed out periodically
 889 //    16: When set various parameters are sanity checked and
 890 //       a message is printed out when they go out of bounds
 891
 892 void FGPiston::Debug(int from)
 893 {
 894   if (debug_lvl <= 0) return;
 895
 896   if (debug_lvl & 1) { // Standard console startup message output
 897     if (from == 0) { // Constructor
 898
 899       cout << "\n    Engine Name: "         << Name << endl;
 900       cout << "      MinManifoldPressure: " << MinManifoldPressure_inHg << endl;
 901       cout << "      MaxManifoldPressure: " << MaxManifoldPressure_inHg << endl;
 902       cout << "      MinMaP (Pa):         " << minMAP << endl;
 903       cout << "      MaxMaP (Pa):         " << maxMAP << endl;
 904       cout << "      Displacement: "        << Displacement             << endl;
 905       cout << "      Bore: "                << Bore                     << endl;
 906       cout << "      Stroke: "              << Stroke                   << endl;
 907       cout << "      Cylinders: "           << Cylinders                << endl;
 908       cout << "      Compression Ratio: "   << CompressionRatio         << endl;
 909       cout << "      MaxHP: "               << MaxHP                    << endl;
 910       cout << "      Cycles: "              << Cycles                   << endl;
 911       cout << "      IdleRPM: "             << IdleRPM                  << endl;
 912       cout << "      MaxRPM: "              << MaxRPM                   << endl;
 913       cout << "      MaxThrottle: "         << MaxThrottle              << endl;
 914       cout << "      MinThrottle: "         << MinThrottle              << endl;
 915       cout << "      ISFC: "                << ISFC                     << endl;
 916       cout << "      Volumentric Efficiency: " << volumetric_efficiency    << endl;
 917
 918       cout << endl;
 919       cout << "      Combustion Efficiency table:" << endl;
 920       Lookup_Combustion_Efficiency->Print();
 921       cout << endl;
 922
 923       cout << endl;
 924       cout << "      Mixture Efficiency Correlation table:" << endl;
 925       Mixture_Efficiency_Correlation->Print();
 926       cout << endl;
 927
 928     }
 929   }
 930   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification
 931     if (from == 0) cout << "Instantiated: FGPiston" << endl;
 932     if (from == 1) cout << "Destroyed:    FGPiston" << endl;
 933   }
 934   if (debug_lvl & 4 ) { // Run() method entry print for FGModel-derived objects
 935   }
 936   if (debug_lvl & 8 ) { // Runtime state variables
 937   }
 938   if (debug_lvl & 16) { // Sanity checking
 939   }
 940   if (debug_lvl & 64) {
 941     if (from == 0) { // Constructor
 942       cout << IdSrc << endl;
 943       cout << IdHdr << endl;
 944     }
 945   }
 946 }
 947 } // namespace JSBSim