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

   1 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
   2
   3  Header:       FGPiston.h
   4  Author:       Jon S. Berndt
   5  Date started: 09/12/2000
   6
   7  ------------- Copyright (C) 2000  Jon S. Berndt (jsb@hal-pc.org) --------------
   8
   9  This program is free software; you can redistribute it and/or modify it under
  10  the terms of the GNU Lesser General Public License as published by the Free Software
  11  Foundation; either version 2 of the License, or (at your option) any later
  12  version.
  13
  14  This program is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
  15  ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS
  16  FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU Lesser General Public License for more
  17  details.
  18
  19  You should have received a copy of the GNU Lesser General Public License along with
  20  this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc., 59 Temple
  21  Place - Suite 330, Boston, MA  02111-1307, USA.
  22
  23  Further information about the GNU Lesser General Public License can also be found on
  24  the world wide web at http://www.gnu.org.
  25
  26 HISTORY
  27 --------------------------------------------------------------------------------
  28 09/12/2000  JSB  Created
  29 10/01/2001  DPM  Modified to use equations from Dave Luff's piston model.
  30
  31 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  32 SENTRY
  33 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  34
  35 #ifndef FGPISTON_H
  36 #define FGPISTON_H
  37
  38 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  39 INCLUDES
  40 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  41
  42 #include "FGEngine.h"
  43 #include <math/FGTable.h>
  44 #include <input_output/FGXMLElement.h>
  45
  46 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  47 DEFINITIONS
  48 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  49
  50 #define ID_PISTON "$Id$";
  51 #define FG_MAX_BOOST_SPEEDS 3
  52
  53 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  54 FORWARD DECLARATIONS
  55 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  56
  57 namespace JSBSim {
  58
  59 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
  60 CLASS DOCUMENTATION
  61 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
  62
  63 /** Models Dave Luff's Turbo/Supercharged Piston engine model.
  64     Additional elements are required for a supercharged engine.  These can be
  65     left off a non-supercharged engine, ie. the changes are all backward
  66     compatible at present.
  67
  68     - NUMBOOSTSPEEDS - zero (or not present) for a naturally-aspirated engine,
  69       either 1, 2 or 3 for a boosted engine.  This corresponds to the number of
  70       supercharger speeds.  Merlin XII had 1 speed, Merlin 61 had 2, a late
  71       Griffon engine apparently had 3.  No known engine more than 3, although
  72       some German engines apparently had a continuously variable-speed
  73       supercharger.
  74
  75     - BOOSTOVERRIDE - whether the boost pressure control system (either a boost
  76       control valve for superchargers or wastegate for turbochargers) can be
  77       overriden by the pilot.  During wartime this was commonly possible, and
  78       known as "War Emergency Power" by the Brits.  1 or 0 in the config file.
  79       This isn't implemented in the model yet though, there would need to be
  80       some way of getting the boost control cutout lever position (on or off)
  81       from FlightGear first.
  82
  83     - The next items are all appended with either 1, 2 or 3 depending on which
  84       boost speed they refer to, eg RATEDBOOST1.  The rated values seems to have
  85       been a common convention at the time to express the maximum continuously
  86       available power, and the conditions to attain that power.
  87
  88     - RATEDBOOST[123] - the absolute rated boost above sea level ambient for a
  89       given boost speed, in psi.  Eg the Merlin XII had a rated boost of 9psi,
  90       giving approximately 42inHg manifold pressure up to the rated altitude.
  91
  92     - RATEDALTITUDE[123] - The altitude up to which rated boost can be
  93       maintained.  Up to this altitude the boost is maintained constant for a
  94       given throttle position by the BCV or wastegate.  Beyond this altitude the
  95       manifold pressure must drop, since the supercharger is now at maximum
  96       unregulated output.  The actual pressure multiplier of the supercharger
  97       system is calculated at initialisation from this value.
  98
  99     - RATEDPOWER[123] - The power developed at rated boost at rated altitude at
 100       rated rpm.
 101
 102     - RATEDRPM[123] - The rpm at which rated power is developed.
 103
 104     - TAKEOFFBOOST - Takeoff boost in psi above ambient.  Many aircraft had an
 105       extra boost setting beyond rated boost, but not totally uncontrolled as in
 106       the already mentioned boost-control-cutout, typically attained by pushing
 107       the throttle past a mechanical 'gate' preventing its inadvertant use. This
 108       was typically used for takeoff, and emergency situations, generally for
 109       not more than five minutes.  This is a change in the boost control
 110       setting, not the actual supercharger speed, and so would only give extra
 111       power below the rated altitude.  When TAKEOFFBOOST is specified in the
 112       config file (and is above RATEDBOOST1), then the throttle position is
 113       interpreted as:
 114
 115     - 0 to 0.95 : idle manifold pressure to rated boost (where attainable)
 116     - 0.96, 0.97, 0.98 : rated boost (where attainable).
 117     - 0.99, 1.0 : takeoff boost (where attainable).
 118
 119     A typical takeoff boost for an earlyish Merlin was about 12psi, compared
 120     with a rated boost of 9psi.
 121
 122     It is quite possible that other boost control settings could have been used
 123     on some aircraft, or that takeoff/extra boost could have activated by other
 124     means than pushing the throttle full forward through a gate, but this will
 125     suffice for now.
 126
 127     Note that MAXMP is still the non-boosted max manifold pressure even for
 128     boosted engines - effectively this is simply a measure of the pressure drop
 129     through the fully open throttle.
 130
 131     @author Jon S. Berndt (Engine framework code and framework-related mods)
 132     @author Dave Luff (engine operational code)
 133     @author David Megginson (initial porting and additional code)
 134     @version $Id$
 135   */
 136
 137 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 138 CLASS DECLARATION
 139 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%*/
 140
 141 class FGPiston : public FGEngine
 142 {
 143 public:
 144   /// Constructor
 145   FGPiston(FGFDMExec* exec, Element* el, int engine_number);
 146   /// Destructor
 147   ~FGPiston();
 148
 149   string GetEngineLabels(string delimeter);
 150   string GetEngineValues(string delimeter);
 151
 152   double Calculate(void);
 153   double GetPowerAvailable(void) {return PowerAvailable;}
 154   double CalcFuelNeed(void);
 155
 156   void SetMagnetos(int magnetos) {Magnetos = magnetos;}
 157
 158   double  GetEGT(void) { return EGT_degC; }
 159   int     GetMagnetos(void) {return Magnetos;}
 160
 161   double getExhaustGasTemp_degF(void) {return KelvinToFahrenheit(ExhaustGasTemp_degK);}
 162   double getManifoldPressure_inHg(void) const {return ManifoldPressure_inHg;}
 163   double getCylinderHeadTemp_degF(void) {return KelvinToFahrenheit(CylinderHeadTemp_degK);}
 164   double getOilPressure_psi(void) const {return OilPressure_psi;}
 165   double getOilTemp_degF (void) {return KelvinToFahrenheit(OilTemp_degK);}
 166   double getRPM(void) {return RPM;}
 167
 168 private:
 169   int crank_counter;
 170
 171   double BrakeHorsePower;
 172   double SpeedSlope;
 173   double SpeedIntercept;
 174   double AltitudeSlope;
 175   double PowerAvailable;
 176
 177   // timestep
 178   double dt;
 179
 180   void doEngineStartup(void);
 181   void doBoostControl(void);
 182   void doMAP(void);
 183   void doAirFlow(void);
 184   void doFuelFlow(void);
 185   void doEnginePower(void);
 186   void doEGT(void);
 187   void doCHT(void);
 188   void doOilPressure(void);
 189   void doOilTemperature(void);
 190
 191   //
 192   // constants
 193   //
 194
 195   const double R_air;
 196   const double rho_fuel;    // kg/m^3
 197   const double calorific_value_fuel;  // W/Kg (approximate)
 198   const double Cp_air;      // J/KgK
 199   const double Cp_fuel;     // J/KgK
 200
 201   FGTable *Lookup_Combustion_Efficiency;
 202   FGTable *Power_Mixture_Correlation;
 203
 204   //
 205   // Configuration
 206   //
 207   double MinManifoldPressure_inHg; // Inches Hg
 208   double MaxManifoldPressure_inHg; // Inches Hg
 209   double Displacement;             // cubic inches
 210   double MaxHP;                    // horsepower
 211   double Cycles;                   // cycles/power stroke
 212   double IdleRPM;                  // revolutions per minute
 213   double StarterHP;                // initial horsepower of starter motor
 214   int BoostSpeeds;      // Number of super/turbocharger boost speeds - zero implies no turbo/supercharging.
 215   int BoostSpeed;       // The current boost-speed (zero-based).
 216   bool Boosted;         // Set true for boosted engine.
 217   int BoostOverride;    // The raw value read in from the config file - should be 1 or 0 - see description below.
 218   bool bBoostOverride;  // Set true if pilot override of the boost regulator was fitted.
 219               // (Typically called 'war emergency power').
 220   bool bTakeoffBoost;   // Set true if extra takeoff / emergency boost above rated boost could be attained.
 221               // (Typically by extra throttle movement past a mechanical 'gate').
 222   double TakeoffBoost;  // Sea-level takeoff boost in psi. (if fitted).
 223   double RatedBoost[FG_MAX_BOOST_SPEEDS];       // Sea-level rated boost in psi.
 224   double RatedAltitude[FG_MAX_BOOST_SPEEDS];    // Altitude at which full boost is reached (boost regulation ends)
 225                           // and at which power starts to fall with altitude [ft].
 226   double RatedRPM[FG_MAX_BOOST_SPEEDS]; // Engine speed at which the rated power for each boost speed is delivered [rpm].
 227   double RatedPower[FG_MAX_BOOST_SPEEDS];       // Power at rated throttle position at rated altitude [HP].
 228   double BoostSwitchAltitude[FG_MAX_BOOST_SPEEDS - 1];  // Altitude at which switchover (currently assumed automatic)
 229                               // from one boost speed to next occurs [ft].
 230   double BoostSwitchPressure[FG_MAX_BOOST_SPEEDS - 1];  // Pressure at which boost speed switchover occurs [Pa]
 231   double BoostMul[FG_MAX_BOOST_SPEEDS]; // Pressure multipier of unregulated supercharger
 232   double RatedMAP[FG_MAX_BOOST_SPEEDS]; // Rated manifold absolute pressure [Pa] (BCV clamp)
 233   double TakeoffMAP[FG_MAX_BOOST_SPEEDS];       // Takeoff setting manifold absolute pressure [Pa] (BCV clamp)
 234   double BoostSwitchHysteresis; // Pa.
 235
 236   double minMAP;  // Pa
 237   double maxMAP;  // Pa
 238   double MAP;     // Pa
 239
 240   //
 241   // Inputs (in addition to those in FGEngine).
 242   //
 243   double p_amb;              // Pascals
 244   double p_amb_sea_level;    // Pascals
 245   double T_amb;              // degrees Kelvin
 246   double RPM;                // revolutions per minute
 247   double IAS;                // knots
 248   bool Magneto_Left;
 249   bool Magneto_Right;
 250   int Magnetos;
 251
 252   //
 253   // Outputs (in addition to those in FGEngine).
 254   //
 255   double rho_air;
 256   double volumetric_efficiency;
 257   double m_dot_air;
 258   double equivalence_ratio;
 259   double m_dot_fuel;
 260   double Percentage_Power;
 261   double HP;
 262   double combustion_efficiency;
 263   double ExhaustGasTemp_degK;
 264   double EGT_degC;
 265   double ManifoldPressure_inHg;
 266   double CylinderHeadTemp_degK;
 267   double OilPressure_psi;
 268   double OilTemp_degK;
 269
 270   void Debug(int from);
 271 };
 272 }
 273 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 274 #endif