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 = 1.5f * 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     if(_magnetos == 0 || speed < 60*RPM2RADPS)
 121         _running = false;
 122     else if(_fuel == false)
 123         _running = false;
 124     else
 125         _running = true;
 126
 127     // Calculate the factor required to modify supercharger output for
 128     // rpm. Assume that the normalized supercharger output ~= 1 when
 129     // the engine is at the nominated peak-power rpm (normalised).
 130     // A power equation of the form  (A * B^x * x^C)  has been
 131     // derived empirically from some representative supercharger data.
 132     // This provides near-linear output over the normal operating range,
 133     // with fall-off in the over-speed situation.
 134     float rpm_norm = (speed / _omega0);
 135     float A = 1.795206541;
 136     float B = 0.55620178;
 137     float C = 1.246708471;
 138     float rpm_factor = A * Math::pow(B, rpm_norm) * Math::pow(rpm_norm, C);
 139     _chargeTarget = 1 + (_boost * (_turbo-1) * rpm_factor);
 140
 141     if(_hasSuper) {
 142         // Superchargers have no lag
 143         _charge = _chargeTarget;
 144     } else if(!_running) {
 145         // Turbochargers only work when the engine is actually
 146         // running.  The 25% number is a guesstimate from Vivian.
 147         _chargeTarget = 1 + (_chargeTarget - 1) * 0.25;
 148     }
 149
 150     // We need to adjust the minimum manifold pressure to get a
 151     // reasonable idle speed (a "closed" throttle doesn't suck a total
 152     // vacuum in real manifolds).  This is a hack.
 153     float _minMP = (-0.008 * _turbo ) + 0.1;
 154
 155     _mp = pressure * _charge;
 156
 157     // Scale to throttle setting, clamp to wastegate
 158     if(_running)
 159         _mp *= _minMP + (1 -_minMP) * _throttle;
 160     if(_mp > _maxMP) _mp = _maxMP;
 161
 162     // The "boost" is the delta above ambient
 163     _boostPressure = _mp - pressure;
 164
 165     // Air entering the manifold does so rapidly, and thus the
 166     // pressure change can be assumed to be adiabatic.  Calculate a
 167     // temperature change, and use that to get the density.
 168     // Note: need to model intercoolers here...
 169     float T = temp * Math::pow(_mp/pressure, 2.0/7.0);
 170     float rho = _mp / (287.1f * T);
 171
 172     // The actual fuel flow is determined only by engine RPM and the
 173     // mixture setting.  Not all of this will burn with the same
 174     // efficiency.
 175     _fuelFlow = _mixture * speed * _mixCoeff;
 176     if(_fuel == false) _fuelFlow = 0;
 177
 178     // How much fuel could be burned with ideal (i.e. uncorrected!)
 179     // combustion.
 180     float burnable = _f0 * (rho/_rho0) * (speed/_omega0);
 181
 182     // Calculate the fuel that actually burns to produce work.  The
 183     // idea is that less than 5/8 of ideal, we get complete
 184     // combustion.  We use up all the oxygen at 1 3/8 of ideal (that
 185     // is, you need to waste fuel to use all your O2).  In between,
 186     // interpolate.  This vaguely matches a curve I copied out of a
 187     // book for a single engine.  Shrug.
 188     float burned;
 189     float r = _fuelFlow/burnable;
 190     if     (burnable == 0) burned = 0;
 191     else if(r < .625)      burned = _fuelFlow;
 192     else if(r > 1.375)     burned = burnable;
 193     else
 194         burned = _fuelFlow + (burnable-_fuelFlow)*(r-0.625f)*(4.0f/3.0f);
 195
 196     // Correct for engine control state
 197     if(!_running)
 198         burned = 0;
 199     if(_magnetos < 3)
 200         burned *= 0.9f;
 201
 202     // And finally the power is just the reference power scaled by the
 203     // amount of fuel burned, and torque is that divided by RPM.
 204     float power = _power0 * burned/_f0;
 205     _torque = power/speed;
 206
 207     // Figure that the starter motor produces 15% of the engine's
 208     // cruise torque.  Assuming 60RPM starter speed vs. 1800RPM cruise
 209     // speed on a 160HP engine, that comes out to about 160*.15/30 ==
 210     // 0.8 HP starter motor.  Which sounds about right to me.  I think
 211     // I've finally got this tuned. :)
 212     if(_starter && !_running)
 213         _torque += 0.15f * _power0/_omega0;
 214
 215     // Also, add a negative torque of 8% of cruise, to represent
 216     // internal friction.  Propeller aerodynamic friction is too low
 217     // at low RPMs to provide a good deceleration.  Interpolate it
 218     // away as we approach cruise RPMs (full at 50%, zero at 100%),
 219     // though, to prevent interaction with the power computations.
 220     // Ugly.
 221     if(speed > 0 && speed < _omega0) {
 222         float interp = 2 - 2*speed/_omega0;
 223         interp = (interp > 1) ? 1 : interp;
 224         _torque -= 0.08f * (_power0/_omega0) * interp;
 225     }
 226
 227     // Now EGT.  This one gets a little goofy.  We can calculate the
 228     // work done by an isentropically expanding exhaust gas as the
 229     // mass of the gas times the specific heat times the change in
 230     // temperature.  The mass is just the engine displacement times
 231     // the manifold density, plus the mass of the fuel, which we know.
 232     // The change in temperature can be calculated adiabatically as a
 233     // function of the exhaust gas temperature and the compression
 234     // ratio (which we know).  So just rearrange the equation to get
 235     // EGT as a function of engine power.  Cool.  I'm using a value of
 236     // 1300 J/(kg*K) for the exhaust gas specific heat.  I found this
 237     // on a web page somewhere; no idea if it's accurate.  Also,
 238     // remember that four stroke engines do one combustion cycle every
 239     // TWO revolutions, so the displacement per revolution is half of
 240     // what we'd expect.  And diddle the work done by the gas a bit to
 241     // account for non-thermodynamic losses like internal friction;
 242     // 10% should do it.
 243     float massFlow = _fuelFlow + (rho * 0.5f * _displacement * speed);
 244     float specHeat = 1300;
 245     float corr = 1.0f/(Math::pow(_compression, 0.4f) - 1.0f);
 246     _egt = corr * (power * 1.1f) / (massFlow * specHeat);
 247     if(_egt < temp) _egt = temp;
 248
 249
 250     // Oil temperature.
 251     // Assume a linear variation between ~90degC at idle and ~120degC
 252     // at full power.  No attempt to correct for airflow over the
 253     // engine is made.  Make the time constant to attain target steady-
 254     // state oil temp greater at engine off than on to reflect no
 255     // circulation.  Nothing fancy, but populates the guage with a
 256     // plausible value.
 257     float tau;  // secs
 258     if(_running) {
 259         _oilTempTarget = 363.0f + (30.0f * (power/_power0));
 260         tau = 600;
 261         // Reduce tau linearly to 300 at max power
 262         tau -= (power/_power0) * 300.0f;
 263     } else {
 264         _oilTempTarget = temp;
 265         tau = 1500;
 266     }
 267     _dOilTempdt = (_oilTempTarget - _oilTemp) / tau;
 268 }
 269
 270 }; // namespace yasim