src/FDM/YASim/PistonEngine.cpp

   1 #include "Atmosphere.hpp"
   2 #include "Math.hpp"
   3 #include "PistonEngine.hpp"
   4 namespace yasim {
   5
   6 const static float HP2W = 745.7f;
   7 const static float CIN2CM = 1.6387064e-5f;
   8 const static float RPM2RADPS = 0.1047198f;
   9
  10 PistonEngine::PistonEngine(float power, float speed)
  11 {
  12     _boost = 1;
  13     _running = false;
  14     _fuel = true;
  15     _boostPressure = 0;
  16
  17     _oilTemp = Atmosphere::getStdTemperature(0);
  18     _oilTempTarget = _oilTemp;
  19     _dOilTempdt = 0;
  20
  21     // Presume a BSFC (in lb/hour per HP) of 0.45.  In SI that becomes
  22     // (2.2 lb/kg, 745.7 W/hp, 3600 sec/hour) 7.62e-08 kg/Ws.
  23     _f0 = power * 7.62e-08f;
  24
  25     _power0 = power;
  26     _omega0 = speed;
  27
  28     // We must be at sea level under standard conditions
  29     _rho0 = Atmosphere::getStdDensity(0);
  30
  31     // Further presume that takeoff is (duh) full throttle and
  32     // peak-power, that means that by our efficiency function, we are
  33     // at 11/8 of "ideal" fuel flow.
  34     float realFlow = _f0 * (11.0f/8.0f);
  35     _mixCoeff = realFlow * 1.1f / _omega0;
  36
  37     _turbo = 1;
  38     _maxMP = 1e6; // No waste gate on non-turbo engines.
  39
  40     // Guess at reasonable values for these guys.  Displacements run
  41     // at about 2 cubic inches per horsepower or so, at least for
  42     // non-turbocharged engines.
  43     _compression = 8;
  44     _displacement = power * (2*CIN2CM/HP2W);
  45 }
  46
  47 void PistonEngine::setTurboParams(float turbo, float maxMP)
  48 {
  49     _turbo = turbo;
  50     _maxMP = maxMP;
  51
  52     // This changes the "sea level" manifold air density
  53     float P0 = Atmosphere::getStdPressure(0);
  54     float P = P0 * (1 + _boost * (_turbo - 1));
  55     if(P > _maxMP) P = _maxMP;
  56     float T = Atmosphere::getStdTemperature(0) * Math::pow(P/P0, 2./7.);
  57     _rho0 = P / (287.1f * T);
  58 }
  59
  60 void PistonEngine::setDisplacement(float d)
  61 {
  62     _displacement = d;
  63 }
  64
  65 void PistonEngine::setCompression(float c)
  66 {
  67     _compression = c;
  68 }
  69
  70 float PistonEngine::getMaxPower()
  71 {
  72     return _power0;
  73 }
  74
  75 bool PistonEngine::isCranking()
  76 {
  77     return _starter;
  78 }
  79
  80 float PistonEngine::getTorque()
  81 {
  82     return _torque;
  83 }
  84
  85 float PistonEngine::getFuelFlow()
  86 {
  87     return _fuelFlow;
  88 }
  89
  90 float PistonEngine::getMP()
  91 {
  92     return _mp;
  93 }
  94
  95 float PistonEngine::getEGT()
  96 {
  97     return _egt;
  98 }
  99
 100 void PistonEngine::stabilize()
 101 {
 102     _oilTemp = _oilTempTarget;
 103 }
 104
 105 void PistonEngine::integrate(float dt)
 106 {
 107     _oilTemp += (_dOilTempdt * dt);
 108 }
 109
 110 void PistonEngine::calc(float pressure, float temp, float speed)
 111 {
 112     if(_magnetos == 0 || speed < 60*RPM2RADPS)
 113         _running = false;
 114     else if(_fuel == false)
 115         _running = false;
 116     else
 117         _running = true;
 118
 119     // Calculate the factor required to modify supercharger output for
 120     // rpm. Assume that the normalized supercharger output ~= 1 when
 121     // the engine is at the nominated peak-power rpm (normalised).
 122     // A power equation of the form  (A * B^x * x^C)  has been
 123     // derived empirically from some representative supercharger data.
 124     // This provides near-linear output over the normal operating range,
 125     // with fall-off in the over-speed situation.
 126     float rpm_norm = (speed / _omega0);
 127     float A = 1.795206541;
 128     float B = 0.55620178;
 129     float C = 1.246708471;
 130     float rpm_factor = A * Math::pow(B, rpm_norm) * Math::pow(rpm_norm, C);
 131
 132     // We need to adjust the minimum manifold pressure to get a
 133     // reasonable idle speed (a "closed" throttle doesn't suck a total
 134     // vacuum in real manifolds).  This is a hack.
 135     float _minMP = (-0.008 * _turbo ) + 0.1;
 136
 137     // Scale to throttle setting, clamp to wastegate
 138     if(_running) {
 139         _mp = pressure * (1 + (_boost * (_turbo-1) * rpm_factor));
 140         _mp *= _minMP + (1 -_minMP) * _throttle;
 141     }
 142     if(_mp > _maxMP) _mp = _maxMP;
 143
 144     // The "boost" is the delta above ambient
 145     _boostPressure = _mp - pressure;
 146
 147     // Air entering the manifold does so rapidly, and thus the
 148     // pressure change can be assumed to be adiabatic.  Calculate a
 149     // temperature change, and use that to get the density.
 150     // Note: need to model intercoolers here...
 151     float T = temp * Math::pow(_mp/pressure, 2.0/7.0);
 152     float rho = _mp / (287.1f * T);
 153
 154     // The actual fuel flow is determined only by engine RPM and the
 155     // mixture setting.  Not all of this will burn with the same
 156     // efficiency.
 157     _fuelFlow = _mixture * speed * _mixCoeff;
 158     if(_fuel == false) _fuelFlow = 0;
 159
 160     // How much fuel could be burned with ideal (i.e. uncorrected!)
 161     // combustion.
 162     float burnable = _f0 * (rho/_rho0) * (speed/_omega0);
 163
 164     // Calculate the fuel that actually burns to produce work.  The
 165     // idea is that less than 5/8 of ideal, we get complete
 166     // combustion.  We use up all the oxygen at 1 3/8 of ideal (that
 167     // is, you need to waste fuel to use all your O2).  In between,
 168     // interpolate.  This vaguely matches a curve I copied out of a
 169     // book for a single engine.  Shrug.
 170     float burned;
 171     float r = _fuelFlow/burnable;
 172     if     (burnable == 0) burned = 0;
 173     else if(r < .625)      burned = _fuelFlow;
 174     else if(r > 1.375)     burned = burnable;
 175     else
 176         burned = _fuelFlow + (burnable-_fuelFlow)*(r-0.625f)*(4.0f/3.0f);
 177
 178     // Correct for engine control state
 179     if(!_running)
 180         burned = 0;
 181     if(_magnetos < 3)
 182         burned *= 0.9f;
 183
 184     // And finally the power is just the reference power scaled by the
 185     // amount of fuel burned, and torque is that divided by RPM.
 186     float power = _power0 * burned/_f0;
 187     _torque = power/speed;
 188
 189     // Figure that the starter motor produces 15% of the engine's
 190     // cruise torque.  Assuming 60RPM starter speed vs. 1800RPM cruise
 191     // speed on a 160HP engine, that comes out to about 160*.15/30 ==
 192     // 0.8 HP starter motor.  Which sounds about right to me.  I think
 193     // I've finally got this tuned. :)
 194     if(_starter && !_running)
 195         _torque += 0.15f * _power0/_omega0;
 196
 197     // Also, add a negative torque of 8% of cruise, to represent
 198     // internal friction.  Propeller aerodynamic friction is too low
 199     // at low RPMs to provide a good deceleration.  Interpolate it
 200     // away as we approach cruise RPMs (full at 50%, zero at 100%),
 201     // though, to prevent interaction with the power computations.
 202     // Ugly.
 203     if(speed > 0 && speed < _omega0) {
 204         float interp = 2 - 2*speed/_omega0;
 205         interp = (interp > 1) ? 1 : interp;
 206         _torque -= 0.08f * (_power0/_omega0) * interp;
 207     }
 208
 209     // Now EGT.  This one gets a little goofy.  We can calculate the
 210     // work done by an isentropically expanding exhaust gas as the
 211     // mass of the gas times the specific heat times the change in
 212     // temperature.  The mass is just the engine displacement times
 213     // the manifold density, plus the mass of the fuel, which we know.
 214     // The change in temperature can be calculated adiabatically as a
 215     // function of the exhaust gas temperature and the compression
 216     // ratio (which we know).  So just rearrange the equation to get
 217     // EGT as a function of engine power.  Cool.  I'm using a value of
 218     // 1300 J/(kg*K) for the exhaust gas specific heat.  I found this
 219     // on a web page somewhere; no idea if it's accurate.  Also,
 220     // remember that four stroke engines do one combustion cycle every
 221     // TWO revolutions, so the displacement per revolution is half of
 222     // what we'd expect.  And diddle the work done by the gas a bit to
 223     // account for non-thermodynamic losses like internal friction;
 224     // 10% should do it.
 225     float massFlow = _fuelFlow + (rho * 0.5f * _displacement * speed);
 226     float specHeat = 1300;
 227     float corr = 1.0f/(Math::pow(_compression, 0.4f) - 1.0f);
 228     _egt = corr * (power * 1.1f) / (massFlow * specHeat);
 229     if(_egt < temp) _egt = temp;
 230
 231
 232     // Oil temperature.
 233     // Assume a linear variation between ~90degC at idle and ~120degC
 234     // at full power.  No attempt to correct for airflow over the
 235     // engine is made.  Make the time constant to attain target steady-
 236     // state oil temp greater at engine off than on to reflect no
 237     // circulation.  Nothing fancy, but populates the guage with a
 238     // plausible value.
 239     float tau;  // secs
 240     if(_running) {
 241         _oilTempTarget = 363.0f + (30.0f * (power/_power0));
 242         tau = 600;
 243         // Reduce tau linearly to 300 at max power
 244         tau -= (power/_power0) * 300.0f;
 245     } else {
 246         _oilTempTarget = temp;
 247         tau = 1500;
 248     }
 249     _dOilTempdt = (_oilTempTarget - _oilTemp) / tau;
 250 }
 251
 252 }; // namespace yasim