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     // Presume a BSFC (in lb/hour per HP) of 0.45.  In SI that becomes
  18     // (2.2 lb/kg, 745.7 W/hp, 3600 sec/hour) 7.62e-08 kg/Ws.
  19     _f0 = power * 7.62e-08f;
  20
  21     _power0 = power;
  22     _omega0 = speed;
  23
  24     // We must be at sea level under standard conditions
  25     _rho0 = Atmosphere::getStdDensity(0);
  26
  27     // Further presume that takeoff is (duh) full throttle and
  28     // peak-power, that means that by our efficiency function, we are
  29     // at 11/8 of "ideal" fuel flow.
  30     float realFlow = _f0 * (11.0f/8.0f);
  31     _mixCoeff = realFlow * 1.1f / _omega0;
  32
  33     _turbo = 1;
  34     _maxMP = 1e6; // No waste gate on non-turbo engines.
  35
  36     // Guess at reasonable values for these guys.  Displacements run
  37     // at about 2 cubic inches per horsepower or so, at least for
  38     // non-turbocharged engines.
  39     _compression = 8;
  40     _displacement = power * (2*CIN2CM/HP2W);
  41 }
  42
  43 void PistonEngine::setTurboParams(float turbo, float maxMP)
  44 {
  45     _turbo = turbo;
  46     _maxMP = maxMP;
  47
  48     // This changes the "sea level" manifold air density
  49     float P0 = Atmosphere::getStdPressure(0);
  50     float P = P0 * (1 + _boost * (_turbo - 1));
  51     if(P > _maxMP) P = _maxMP;
  52     float T = Atmosphere::getStdTemperature(0) * Math::pow(P/P0, 2./7.);
  53     _rho0 = P / (287.1f * T);
  54 }
  55
  56 void PistonEngine::setDisplacement(float d)
  57 {
  58     _displacement = d;
  59 }
  60
  61 void PistonEngine::setCompression(float c)
  62 {
  63     _compression = c;
  64 }
  65
  66 float PistonEngine::getMaxPower()
  67 {
  68     return _power0;
  69 }
  70
  71 bool PistonEngine::isCranking()
  72 {
  73     return _starter;
  74 }
  75
  76 float PistonEngine::getTorque()
  77 {
  78     return _torque;
  79 }
  80
  81 float PistonEngine::getFuelFlow()
  82 {
  83     return _fuelFlow;
  84 }
  85
  86 float PistonEngine::getMP()
  87 {
  88     return _mp;
  89 }
  90
  91 float PistonEngine::getEGT()
  92 {
  93     return _egt;
  94 }
  95
  96 void PistonEngine::calc(float pressure, float temp, float speed)
  97 {
  98     if(_magnetos == 0 || speed < 60*RPM2RADPS)
  99         _running = false;
 100     else if(_fuel == false)
 101         _running = false;
 102     else
 103         _running = true;
 104
 105     // Calculate the factor required to modify supercharger output for
 106     // rpm. Assume that the normalized supercharger output ~= 1 when
 107     // the engine is at the nominated peak-power rpm (normalised).
 108     // A power equation of the form  (A * B^x * x^C)  has been
 109     // derived empirically from some representative supercharger data.
 110     // This provides near-linear output over the normal operating range,
 111     // with fall-off in the over-speed situation.
 112     float rpm_norm = (speed / _omega0);
 113     float A = 1.795206541;
 114     float B = 0.55620178;
 115     float C = 1.246708471;
 116     float rpm_factor = A * Math::pow(B, rpm_norm) * Math::pow(rpm_norm, C);
 117
 118     // We need to adjust the minimum manifold pressure to get a
 119     // reasonable idle speed (a "closed" throttle doesn't suck a total
 120     // vacuum in real manifolds).  This is a hack.
 121     float _minMP = (-0.008 * _turbo ) + 0.1;
 122
 123     // Scale to throttle setting, clamp to wastegate
 124     if(_running) {
 125         _mp = pressure * (1 + (_boost * (_turbo-1) * rpm_factor));
 126         _mp *= _minMP + (1 -_minMP) * _throttle;
 127     }
 128     if(_mp > _maxMP) _mp = _maxMP;
 129
 130     // The "boost" is the delta above ambient
 131     _boostPressure = _mp - pressure;
 132
 133     // Air entering the manifold does so rapidly, and thus the
 134     // pressure change can be assumed to be adiabatic.  Calculate a
 135     // temperature change, and use that to get the density.
 136     // Note: need to model intercoolers here...
 137     float T = temp * Math::pow(_mp/pressure, 2.0/7.0);
 138     float rho = _mp / (287.1f * T);
 139
 140     // The actual fuel flow is determined only by engine RPM and the
 141     // mixture setting.  Not all of this will burn with the same
 142     // efficiency.
 143     _fuelFlow = _mixture * speed * _mixCoeff;
 144     if(_fuel == false) _fuelFlow = 0;
 145
 146     // How much fuel could be burned with ideal (i.e. uncorrected!)
 147     // combustion.
 148     float burnable = _f0 * (rho/_rho0) * (speed/_omega0);
 149
 150     // Calculate the fuel that actually burns to produce work.  The
 151     // idea is that less than 5/8 of ideal, we get complete
 152     // combustion.  We use up all the oxygen at 1 3/8 of ideal (that
 153     // is, you need to waste fuel to use all your O2).  In between,
 154     // interpolate.  This vaguely matches a curve I copied out of a
 155     // book for a single engine.  Shrug.
 156     float burned;
 157     float r = _fuelFlow/burnable;
 158     if     (burnable == 0) burned = 0;
 159     else if(r < .625)      burned = _fuelFlow;
 160     else if(r > 1.375)     burned = burnable;
 161     else
 162         burned = _fuelFlow + (burnable-_fuelFlow)*(r-0.625f)*(4.0f/3.0f);
 163
 164     // Correct for engine control state
 165     if(!_running)
 166         burned = 0;
 167     if(_magnetos < 3)
 168         burned *= 0.9f;
 169
 170     // And finally the power is just the reference power scaled by the
 171     // amount of fuel burned, and torque is that divided by RPM.
 172     float power = _power0 * burned/_f0;
 173     _torque = power/speed;
 174
 175     // Figure that the starter motor produces 15% of the engine's
 176     // cruise torque.  Assuming 60RPM starter speed vs. 1800RPM cruise
 177     // speed on a 160HP engine, that comes out to about 160*.15/30 ==
 178     // 0.8 HP starter motor.  Which sounds about right to me.  I think
 179     // I've finally got this tuned. :)
 180     if(_starter && !_running)
 181         _torque += 0.15f * _power0/_omega0;
 182
 183     // Also, add a negative torque of 8% of cruise, to represent
 184     // internal friction.  Propeller aerodynamic friction is too low
 185     // at low RPMs to provide a good deceleration.  Interpolate it
 186     // away as we approach cruise RPMs (full at 50%, zero at 100%),
 187     // though, to prevent interaction with the power computations.
 188     // Ugly.
 189     if(speed > 0 && speed < _omega0) {
 190         float interp = 2 - 2*speed/_omega0;
 191         interp = (interp > 1) ? 1 : interp;
 192         _torque -= 0.08f * (_power0/_omega0) * interp;
 193     }
 194
 195     // Now EGT.  This one gets a little goofy.  We can calculate the
 196     // work done by an isentropically expanding exhaust gas as the
 197     // mass of the gas times the specific heat times the change in
 198     // temperature.  The mass is just the engine displacement times
 199     // the manifold density, plus the mass of the fuel, which we know.
 200     // The change in temperature can be calculated adiabatically as a
 201     // function of the exhaust gas temperature and the compression
 202     // ratio (which we know).  So just rearrange the equation to get
 203     // EGT as a function of engine power.  Cool.  I'm using a value of
 204     // 1300 J/(kg*K) for the exhaust gas specific heat.  I found this
 205     // on a web page somewhere; no idea if it's accurate.  Also,
 206     // remember that four stroke engines do one combustion cycle every
 207     // TWO revolutions, so the displacement per revolution is half of
 208     // what we'd expect.  And diddle the work done by the gas a bit to
 209     // account for non-thermodynamic losses like internal friction;
 210     // 10% should do it.
 211
 212     float massFlow = _fuelFlow + (rho * 0.5f * _displacement * speed);
 213     float specHeat = 1300;
 214     float corr = 1.0f/(Math::pow(_compression, 0.4f) - 1.0f);
 215     _egt = corr * (power * 1.1f) / (massFlow * specHeat);
 216     if(_egt < temp) _egt = temp;
 217 }
 218
 219 }; // namespace yasim