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 = 745.7;
   7 const static float CIN2CM = 1.6387064e-5;
   8
   9 PistonEngine::PistonEngine(float power, float speed)
  10 {
  11     _boost = 1;
  12
  13     // Presume a BSFC (in lb/hour per HP) of 0.45.  In SI that becomes
  14     // (2.2 lb/kg, 745.7 W/hp, 3600 sec/hour) 7.62e-08 kg/Ws.
  15     _f0 = power * 7.62e-08;
  16
  17     _power0 = power;
  18     _omega0 = speed;
  19
  20     // We must be at sea level under standard conditions
  21     _rho0 = Atmosphere::getStdDensity(0);
  22
  23     // Further presume that takeoff is (duh) full throttle and
  24     // peak-power, that means that by our efficiency function, we are
  25     // at 11/8 of "ideal" fuel flow.
  26     float realFlow = _f0 * (11.0/8.0);
  27     _mixCoeff = realFlow * 1.1 / _omega0;
  28
  29     _turbo = 1;
  30     _maxMP = 1e6; // No waste gate on non-turbo engines.
  31
  32     // Guess at reasonable values for these guys.  Displacements run
  33     // at about 2 cubic inches per horsepower or so, at least for
  34     // non-turbocharged engines.
  35     _compression = 8;
  36     _displacement = power * (2*CIN2CM/HP2W);
  37 }
  38
  39 void PistonEngine::setTurboParams(float turbo, float maxMP)
  40 {
  41     _turbo = turbo;
  42     _maxMP = maxMP;
  43
  44     // This changes the "sea level" manifold air density
  45     float P0 = Atmosphere::getStdPressure(0);
  46     float P = P0 * (1 + _boost * (_turbo - 1));
  47     if(P > _maxMP) P = _maxMP;
  48     float T = Atmosphere::getStdTemperature(0) * Math::pow(P/P0, 2./7.);
  49     _rho0 = P / (287.1 * T);
  50 }
  51
  52 void PistonEngine::setDisplacement(float d)
  53 {
  54     _displacement = d;
  55 }
  56
  57 void PistonEngine::setCompression(float c)
  58 {
  59     _compression = c;
  60 }
  61
  62 float PistonEngine::getMaxPower()
  63 {
  64     return _power0;
  65 }
  66
  67 void PistonEngine::setThrottle(float t)
  68 {
  69     _throttle = t;
  70 }
  71
  72 void PistonEngine::setMixture(float m)
  73 {
  74     _mixture = m;
  75 }
  76
  77 void PistonEngine::setBoost(float boost)
  78 {
  79     _boost = boost;
  80 }
  81
  82 float PistonEngine::getTorque()
  83 {
  84     return _torque;
  85 }
  86
  87 float PistonEngine::getFuelFlow()
  88 {
  89     return _fuelFlow;
  90 }
  91
  92 float PistonEngine::getMP()
  93 {
  94     return _mp;
  95 }
  96
  97 float PistonEngine::getEGT()
  98 {
  99     return _egt;
 100 }
 101
 102 void PistonEngine::calc(float pressure, float temp, float speed)
 103 {
 104     // Calculate manifold pressure as ambient pressure modified for
 105     // turbocharging and reduced by the throttle setting.  According
 106     // to Dave Luff, minimum throttle at sea level corresponds to 6"
 107     // manifold pressure.  Assume that this means that minimum MP is
 108     // always 20% of ambient pressure.
 109     _mp = pressure * (1 + _boost*(_turbo-1)); // turbocharger
 110     _mp *= (0.2 + 0.8 * _throttle);            // throttle
 111     if(_mp > _maxMP) _mp = _maxMP;             // wastegate
 112
 113     // Air entering the manifold does so rapidly, and thus the
 114     // pressure change can be assumed to be adiabatic.  Calculate a
 115     // temperature change, and use that to get the density.
 116     float T = temp * Math::pow(_mp/pressure, 2.0/7.0);
 117     float rho = _mp / (287.1 * T);
 118
 119     // The actual fuel flow is determined only by engine RPM and the
 120     // mixture setting.  Not all of this will burn with the same
 121     // efficiency.
 122     _fuelFlow = _mixture * speed * _mixCoeff;
 123
 124     // How much fuel could be burned with ideal (i.e. uncorrected!)
 125     // combustion.
 126     float burnable = _f0 * (rho/_rho0) * (speed/_omega0);
 127
 128     // Calculate the fuel that actually burns to produce work.  The
 129     // idea is that less than 5/8 of ideal, we get complete
 130     // combustion.  We use up all the oxygen at 1 3/8 of ideal (that
 131     // is, you need to waste fuel to use all your O2).  In between,
 132     // interpolate.  This vaguely matches a curve I copied out of a
 133     // book for a single engine.  Shrug.
 134     float burned;
 135     float r = _fuelFlow/burnable;
 136     if     (burnable == 0) burned = 0;
 137     else if(r < .625)      burned = _fuelFlow;
 138     else if(r > 1.375)     burned = burnable;
 139     else
 140         burned = _fuelFlow + (burnable-_fuelFlow)*(r-.625)*(4.0/3.0);
 141
 142     // And finally the power is just the reference power scaled by the
 143     // amount of fuel burned, and torque is that divided by RPM.
 144     float power = _power0 * burned/_f0;
 145     _torque = power/speed;
 146
 147     // Now EGT.  This one gets a little goofy.  We can calculate the
 148     // work done by an isentropically expanding exhaust gas as the
 149     // mass of the gas times the specific heat times the change in
 150     // temperature.  The mass is just the engine displacement times
 151     // the manifold density, plus the mass of the fuel, which we know.
 152     // The change in temperature can be calculated adiabatically as a
 153     // function of the exhaust gas temperature and the compression
 154     // ratio (which we know).  So just rearrange the equation to get
 155     // EGT as a function of engine power.  Cool.  I'm using a value of
 156     // 1300 J/(kg*K) for the exhaust gas specific heat.  I found this
 157     // on a web page somewhere; no idea if it's accurate.  Also,
 158     // remember that four stroke engines do one combustion cycle every
 159     // TWO revolutions, so the displacement per revolution is half of
 160     // what we'd expect.  And diddle the work done by the gas a bit to
 161     // account for non-thermodynamic losses like internal friction;
 162     // 10% should do it.
 163
 164     float massFlow = _fuelFlow + (rho * 0.5 * _displacement * speed);
 165     float specHeat = 1300;
 166     float corr = 1.0/(Math::pow(_compression, 0.4) - 1);
 167     _egt = corr * (power * 1.1) / (massFlow * specHeat);
 168 }
 169
 170 }; // namespace yasim