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     _wastegate = 1;
  40     _charge = 1;
  41     _chargeTarget = 1;
  42
  43     // Guess at reasonable values for these guys.  Displacements run
  44     // at about 2 cubic inches per horsepower or so, at least for
  45     // non-turbocharged engines.
  46     _compression = 8;
  47     _displacement = power * (2*CIN2CM/HP2W);
  48 }
  49
  50 void PistonEngine::setTurboParams(float turbo, float maxMP)
  51 {
  52     _turbo = turbo;
  53     _maxMP = maxMP;
  54
  55     // This changes the "sea level" manifold air density
  56     float P0 = Atmosphere::getStdPressure(0);
  57     float P = P0 * (1 + _boost * (_turbo - 1));
  58     if(P > _maxMP) P = _maxMP;
  59     float T = Atmosphere::getStdTemperature(0) * Math::pow(P/P0, 2./7.);
  60     _rho0 = P / (287.1f * T);
  61 }
  62
  63 void PistonEngine::setDisplacement(float d)
  64 {
  65     _displacement = d;
  66 }
  67
  68 void PistonEngine::setCompression(float c)
  69 {
  70     _compression = c;
  71 }
  72
  73 float PistonEngine::getMaxPower()
  74 {
  75     return _power0;
  76 }
  77
  78 bool PistonEngine::isCranking()
  79 {
  80     return _starter;
  81 }
  82
  83 float PistonEngine::getTorque()
  84 {
  85     return _torque;
  86 }
  87
  88 float PistonEngine::getFuelFlow()
  89 {
  90     return _fuelFlow;
  91 }
  92
  93 float PistonEngine::getMP()
  94 {
  95     return _mp;
  96 }
  97
  98 float PistonEngine::getEGT()
  99 {
 100     return _egt;
 101 }
 102
 103 void PistonEngine::stabilize()
 104 {
 105     _oilTemp = _oilTempTarget;
 106     _charge = _chargeTarget;
 107 }
 108
 109 void PistonEngine::integrate(float dt)
 110 {
 111     _oilTemp += (_dOilTempdt * dt);
 112
 113     // See comments in Jet.cpp for how this decay constant works
 114     float decay = 2.3f / _turboLag;
 115     _charge = (_charge + dt*decay * _chargeTarget) / (1 + dt*decay);
 116 }
 117
 118 void PistonEngine::calc(float pressure, float temp, float speed)
 119 {
 120     _running = _magnetos && _fuel && (speed > 60*RPM2RADPS);
 121
 122     // Calculate the factor required to modify supercharger output for
 123     // rpm. Assume that the normalized supercharger output ~= 1 when
 124     // the engine is at the nominal peak-power rpm.  A power equation
 125     // of the form (A * B^x * x^C) has been derived empirically from
 126     // some representative supercharger data.  This provides
 127     // near-linear output over the normal operating range, with
 128     // fall-off in the over-speed situation.
 129     float rpm_norm = (speed / _omega0);
 130     float A = 1.795206541;
 131     float B = 0.55620178;
 132     float C = 1.246708471;
 133     float rpm_factor = A * Math::pow(B, rpm_norm) * Math::pow(rpm_norm, C);
 134     _chargeTarget = 1 + (_boost * (_turbo-1) * rpm_factor);
 135
 136     if(_hasSuper) {
 137         // Superchargers have no lag
 138         _charge = _chargeTarget;
 139     } else if(!_running) {
 140         // Turbochargers only work well when the engine is actually
 141         // running.  The 25% number is a guesstimate from Vivian.
 142         _chargeTarget = 1 + (_chargeTarget - 1) * 0.25;
 143     }
 144
 145     // We need to adjust the minimum manifold pressure to get a
 146     // reasonable idle speed (a "closed" throttle doesn't suck a total
 147     // vacuum in real manifolds).  This is a hack.
 148     float _minMP = (-0.008 * _turbo ) + 0.1;
 149
 150     _mp = pressure * _charge;
 151
 152     // Scale to throttle setting, clamp to wastegate
 153     if(_running)
 154         _mp *= _minMP + (1 -_minMP) * _throttle;
 155
 156     // Scale the max MP according to the WASTEGATE control input.  Use
 157     // the un-supercharged MP as the bottom limit.
 158     float max = _wastegate * _maxMP;
 159     if(max < _mp/_charge) max = _mp/_charge;
 160     if(_mp > max) _mp = max;
 161
 162
 163     // The "boost" is the delta above ambient
 164     _boostPressure = _mp - pressure;
 165
 166     // Air entering the manifold does so rapidly, and thus the
 167     // pressure change can be assumed to be adiabatic.  Calculate a
 168     // temperature change, and use that to get the density.
 169     // Note: need to model intercoolers here...
 170     float T = temp * Math::pow(_mp/pressure, 2.0/7.0);
 171     float rho = _mp / (287.1f * T);
 172
 173     // The actual fuel flow is determined only by engine RPM and the
 174     // mixture setting.  Not all of this will burn with the same
 175     // efficiency.
 176     _fuelFlow = _mixture * speed * _mixCoeff;
 177     if(_fuel == false) _fuelFlow = 0;
 178
 179     // How much fuel could be burned with ideal (i.e. uncorrected!)
 180     // combustion.
 181     float burnable = _f0 * (rho/_rho0) * (speed/_omega0);
 182
 183     // Calculate the fuel that actually burns to produce work.  The
 184     // idea is that less than 5/8 of ideal, we get complete
 185     // combustion.  We use up all the oxygen at 1 3/8 of ideal (that
 186     // is, you need to waste fuel to use all your O2).  In between,
 187     // interpolate.  This vaguely matches a curve I copied out of a
 188     // book for a single engine.  Shrug.
 189     float burned;
 190     float r = _fuelFlow/burnable;
 191     if     (burnable == 0) burned = 0;
 192     else if(r < .625)      burned = _fuelFlow;
 193     else if(r > 1.375)     burned = burnable;
 194     else
 195         burned = _fuelFlow + (burnable-_fuelFlow)*(r-0.625f)*(4.0f/3.0f);
 196
 197     // Correct for engine control state
 198     if(!_running)
 199         burned = 0;
 200     if(_magnetos < 3)
 201         burned *= 0.9f;
 202
 203     // And finally the power is just the reference power scaled by the
 204     // amount of fuel burned, and torque is that divided by RPM.
 205     float power = _power0 * burned/_f0;
 206     _torque = power/speed;
 207
 208     // Figure that the starter motor produces 15% of the engine's
 209     // cruise torque.  Assuming 60RPM starter speed vs. 1800RPM cruise
 210     // speed on a 160HP engine, that comes out to about 160*.15/30 ==
 211     // 0.8 HP starter motor.  Which sounds about right to me.  I think
 212     // I've finally got this tuned. :)
 213     if(_starter && !_running)
 214         _torque += 0.15f * _power0/_omega0;
 215
 216     // Also, add a negative torque of 8% of cruise, to represent
 217     // internal friction.  Propeller aerodynamic friction is too low
 218     // at low RPMs to provide a good deceleration.  Interpolate it
 219     // away as we approach cruise RPMs (full at 50%, zero at 100%),
 220     // though, to prevent interaction with the power computations.
 221     // Ugly.
 222     if(speed > 0 && speed < _omega0) {
 223         float interp = 2 - 2*speed/_omega0;
 224         interp = (interp > 1) ? 1 : interp;
 225         _torque -= 0.08f * (_power0/_omega0) * interp;
 226     }
 227
 228     // Now EGT.  This one gets a little goofy.  We can calculate the
 229     // work done by an isentropically expanding exhaust gas as the
 230     // mass of the gas times the specific heat times the change in
 231     // temperature.  The mass is just the engine displacement times
 232     // the manifold density, plus the mass of the fuel, which we know.
 233     // The change in temperature can be calculated adiabatically as a
 234     // function of the exhaust gas temperature and the compression
 235     // ratio (which we know).  So just rearrange the equation to get
 236     // EGT as a function of engine power.  Cool.  I'm using a value of
 237     // 1300 J/(kg*K) for the exhaust gas specific heat.  I found this
 238     // on a web page somewhere; no idea if it's accurate.  Also,
 239     // remember that four stroke engines do one combustion cycle every
 240     // TWO revolutions, so the displacement per revolution is half of
 241     // what we'd expect.  And diddle the work done by the gas a bit to
 242     // account for non-thermodynamic losses like internal friction;
 243     // 10% should do it.
 244     float massFlow = _fuelFlow + (rho * 0.5f * _displacement * speed);
 245     float specHeat = 1300;
 246     float corr = 1.0f/(Math::pow(_compression, 0.4f) - 1.0f);
 247     _egt = corr * (power * 1.1f) / (massFlow * specHeat);
 248     if(_egt < temp) _egt = temp;
 249
 250
 251     // Oil temperature.
 252     // Assume a linear variation between ~90degC at idle and ~120degC
 253     // at full power.  No attempt to correct for airflow over the
 254     // engine is made.  Make the time constant to attain target steady-
 255     // state oil temp greater at engine off than on to reflect no
 256     // circulation.  Nothing fancy, but populates the guage with a
 257     // plausible value.
 258     float tau;  // secs
 259     if(_running) {
 260         _oilTempTarget = 363.0f + (30.0f * (power/_power0));
 261         tau = 600;
 262         // Reduce tau linearly to 300 at max power
 263         tau -= (power/_power0) * 300.0f;
 264     } else {
 265         _oilTempTarget = temp;
 266         tau = 1500;
 267     }
 268     _dOilTempdt = (_oilTempTarget - _oilTemp) / tau;
 269 }
 270
 271 }; // namespace yasim