]> git.mxchange.org Git - flightgear.git/blobdiff - src/FDM/YASim/PistonEngine.cpp
Port over remaining Point3D usage to the more type and unit safe SG* classes.
[flightgear.git] / src / FDM / YASim / PistonEngine.cpp
index 710af2bcdebc76febf1175d4174ec2a24bddf111..1ef086b140950b0818ef70abdc112bc0ec4aac5c 100644 (file)
@@ -3,11 +3,25 @@
 #include "PistonEngine.hpp"
 namespace yasim {
 
+const static float HP2W = 745.7f;
+const static float CIN2CM = 1.6387064e-5f;
+const static float RPM2RADPS = 0.1047198f;
+
 PistonEngine::PistonEngine(float power, float speed)
 {
+    _boost = 1;
+    _running = false;
+    _fuel = true;
+    _boostPressure = 0;
+    _hasSuper = false;
+    
+    _oilTemp = Atmosphere::getStdTemperature(0);
+    _oilTempTarget = _oilTemp;
+    _dOilTempdt = 0;
+
     // Presume a BSFC (in lb/hour per HP) of 0.45.  In SI that becomes
-    // (2.2 lb/kg, 745.7 W/hp, 3600 sec/hour) 3.69e-07 kg/Ws.
-    _f0 = power * 3.69e-07;
+    // (2.2 lb/kg, 745.7 W/hp, 3600 sec/hour) 7.62e-08 kg/Ws.
+    _f0 = power * 7.62e-08f;
 
     _power0 = power;
     _omega0 = speed;
@@ -18,11 +32,22 @@ PistonEngine::PistonEngine(float power, float speed)
     // Further presume that takeoff is (duh) full throttle and
     // peak-power, that means that by our efficiency function, we are
     // at 11/8 of "ideal" fuel flow.
-    float realFlow = _f0 * (11.0/8.0);
-    _mixCoeff = realFlow * 1.1 / _omega0;
+    float realFlow = _f0 * (11.0f/8.0f);
+    _mixCoeff = realFlow * 1.1f / _omega0;
 
     _turbo = 1;
+    _minthrottle = 0.1;
     _maxMP = 1e6; // No waste gate on non-turbo engines.
+    _wastegate = 1;
+    _charge = 1;
+    _chargeTarget = 1;
+    _turboLag = 2;
+
+    // Guess at reasonable values for these guys.  Displacements run
+    // at about 2 cubic inches per horsepower or so, at least for
+    // non-turbocharged engines.
+    _compression = 8;
+    _displacement = power * (2*CIN2CM/HP2W);
 }
 
 void PistonEngine::setTurboParams(float turbo, float maxMP)
@@ -32,43 +57,132 @@ void PistonEngine::setTurboParams(float turbo, float maxMP)
 
     // This changes the "sea level" manifold air density
     float P0 = Atmosphere::getStdPressure(0);
-    float P = P0 * _turbo;
+    float P = P0 * (1 + _boost * (_turbo - 1));
     if(P > _maxMP) P = _maxMP;
     float T = Atmosphere::getStdTemperature(0) * Math::pow(P/P0, 2./7.);
-    _rho0 = P / (287.1 * T);
+    _rho0 = P / (287.1f * T);
+}
+
+void PistonEngine::setDisplacement(float d)
+{
+    _displacement = d;
+}
+
+void PistonEngine::setCompression(float c)
+{
+    _compression = c;
 }
 
-float PistonEngine::getPower()
+void PistonEngine::setMinThrottle(float m)
+{
+    _minthrottle = m;
+}
+
+float PistonEngine::getMaxPower()
 {
     return _power0;
 }
 
-void PistonEngine::setThrottle(float t)
+bool PistonEngine::isCranking()
+{
+    return _starter;
+}
+
+float PistonEngine::getTorque()
 {
-    _throttle = t;
+    return _torque;
 }
 
-void PistonEngine::setMixture(float m)
+float PistonEngine::getFuelFlow()
 {
-    _mixture = m;
+    return _fuelFlow;
 }
 
-void PistonEngine::calc(float P, float T, float speed,
-                       float* torqueOut, float* fuelFlowOut)
+float PistonEngine::getMP()
 {
-    // The actual fuel flow
-    float fuel = _mixture * _mixCoeff * speed;
-
-    // manifold air density
-    if(_turbo != 1) {
-        float P1 = P * _turbo;
-        if(P1 > _maxMP) P1 = _maxMP;
-        T *= Math::pow(P1/P, 2./7.);
-        P = P1;
+    return _mp;
+}
+
+float PistonEngine::getEGT()
+{
+    return _egt;
+}
+
+void PistonEngine::stabilize()
+{
+    _oilTemp = _oilTempTarget;
+    _charge = _chargeTarget;
+}
+
+void PistonEngine::integrate(float dt) 
+{
+    _oilTemp += (_dOilTempdt * dt);
+
+    // See comments in Jet.cpp for how this decay constant works
+    float decay = 2.3f / _turboLag;
+    _charge = (_charge + dt*decay * _chargeTarget) / (1 + dt*decay);
+}
+
+void PistonEngine::calc(float pressure, float temp, float speed)
+{
+    _running = _magnetos && _fuel && (speed > 60*RPM2RADPS);
+
+    // Calculate the factor required to modify supercharger output for
+    // rpm. Assume that the normalized supercharger output ~= 1 when
+    // the engine is at the nominal peak-power rpm.  A power equation
+    // of the form (A * B^x * x^C) has been derived empirically from
+    // some representative supercharger data.  This provides
+    // near-linear output over the normal operating range, with
+    // fall-off in the over-speed situation.
+    float rpm_norm = (speed / _omega0);
+    float A = 1.795206541;
+    float B = 0.55620178;
+    float C = 1.246708471;
+    float rpm_factor = A * Math::pow(B, rpm_norm) * Math::pow(rpm_norm, C);
+    _chargeTarget = 1 + (_boost * (_turbo-1) * rpm_factor);
+
+    if(_hasSuper) {
+        // Superchargers have no lag
+        _charge = _chargeTarget;
+    } else if(!_running) {
+        // Turbochargers only work well when the engine is actually
+        // running.  The 25% number is a guesstimate from Vivian.
+        _chargeTarget = 1 + (_chargeTarget - 1) * 0.25;
     }
-    float density = P / (287.1 * T);
+
+    // We need to adjust the minimum manifold pressure to get a
+    // reasonable idle speed (a "closed" throttle doesn't suck a total
+    // vacuum in real manifolds).  This is a hack.
+    float _minMP = (-0.008 * _turbo ) + _minthrottle;
+
+    _mp = pressure * _charge;
+
+    // Scale to throttle setting, clamp to wastegate
+    if(_running)
+        _mp *= _minMP + (1 -_minMP) * _throttle;
+
+    // Scale the max MP according to the WASTEGATE control input.  Use
+    // the un-supercharged MP as the bottom limit.
+    float max = _wastegate * _maxMP;
+    if(max < _mp/_charge) max = _mp/_charge;
+    if(_mp > max) _mp = max;
     
-    float rho = density * _throttle;
+
+    // The "boost" is the delta above ambient
+    _boostPressure = _mp - pressure;
+
+    // Air entering the manifold does so rapidly, and thus the
+    // pressure change can be assumed to be adiabatic.  Calculate a
+    // temperature change, and use that to get the density.
+    // Note: need to model intercoolers here...
+    float T = temp * Math::pow((_mp*_mp)/(pressure*pressure), 1.0/7.0);
+    float rho = _mp / (287.1f * T);
+
+    // The actual fuel flow is determined only by engine RPM and the
+    // mixture setting.  Not all of this will burn with the same
+    // efficiency.
+    _fuelFlow = _mixture * speed * _mixCoeff;
+    if(_fuel == false) _fuelFlow = 0;
 
     // How much fuel could be burned with ideal (i.e. uncorrected!)
     // combustion.
@@ -81,18 +195,85 @@ void PistonEngine::calc(float P, float T, float speed,
     // interpolate.  This vaguely matches a curve I copied out of a
     // book for a single engine.  Shrug.
     float burned;
-    float r = fuel/burnable;
+    float r = _fuelFlow/burnable;
     if     (burnable == 0) burned = 0;
-    else if(r < .625)      burned = fuel;
+    else if(r < .625)      burned = _fuelFlow;
     else if(r > 1.375)     burned = burnable;
-    else                   burned = fuel + (burnable-fuel)*(r-.625)*(4.0/3.0);
+    else
+        burned = _fuelFlow + (burnable-_fuelFlow)*(r-0.625f)*(4.0f/3.0f);
+
+    // Correct for engine control state
+    if(!_running)
+       burned = 0;
+    if(_magnetos < 3)
+       burned *= 0.9f;
 
     // And finally the power is just the reference power scaled by the
-    // amount of fuel burned.
+    // amount of fuel burned, and torque is that divided by RPM.
     float power = _power0 * burned/_f0;
+    _torque = power/speed;
+
+    // Figure that the starter motor produces 15% of the engine's
+    // cruise torque.  Assuming 60RPM starter speed vs. 1800RPM cruise
+    // speed on a 160HP engine, that comes out to about 160*.15/30 ==
+    // 0.8 HP starter motor.  Which sounds about right to me.  I think
+    // I've finally got this tuned. :)
+    if(_starter && !_running)
+       _torque += 0.15f * _power0/_omega0;
 
-    *torqueOut = power/speed;
-    *fuelFlowOut = fuel;
+    // Also, add a negative torque of 8% of cruise, to represent
+    // internal friction.  Propeller aerodynamic friction is too low
+    // at low RPMs to provide a good deceleration.  Interpolate it
+    // away as we approach cruise RPMs (full at 50%, zero at 100%),
+    // though, to prevent interaction with the power computations.
+    // Ugly.
+    if(speed > 0 && speed < _omega0) {
+        float interp = 2 - 2*speed/_omega0;
+        interp = (interp > 1) ? 1 : interp;
+       _torque -= 0.08f * (_power0/_omega0) * interp;
+    }
+
+    // Now EGT.  This one gets a little goofy.  We can calculate the
+    // work done by an isentropically expanding exhaust gas as the
+    // mass of the gas times the specific heat times the change in
+    // temperature.  The mass is just the engine displacement times
+    // the manifold density, plus the mass of the fuel, which we know.
+    // The change in temperature can be calculated adiabatically as a
+    // function of the exhaust gas temperature and the compression
+    // ratio (which we know).  So just rearrange the equation to get
+    // EGT as a function of engine power.  Cool.  I'm using a value of
+    // 1300 J/(kg*K) for the exhaust gas specific heat.  I found this
+    // on a web page somewhere; no idea if it's accurate.  Also,
+    // remember that four stroke engines do one combustion cycle every
+    // TWO revolutions, so the displacement per revolution is half of
+    // what we'd expect.  And diddle the work done by the gas a bit to
+    // account for non-thermodynamic losses like internal friction;
+    // 10% should do it.
+    float massFlow = _fuelFlow + (rho * 0.5f * _displacement * speed);
+    float specHeat = 1300;
+    float corr = 1.0f/(Math::pow(_compression, 0.4f) - 1.0f);
+    _egt = corr * (power * 1.1f) / (massFlow * specHeat);
+    if(_egt < temp) _egt = temp;
+    
+    
+    // Oil temperature.
+    // Assume a linear variation between ~90degC at idle and ~120degC
+    // at full power.  No attempt to correct for airflow over the
+    // engine is made.  Make the time constant to attain target steady-
+    // state oil temp greater at engine off than on to reflect no
+    // circulation.  Nothing fancy, but populates the guage with a
+    // plausible value.
+    float tau; // secs 
+    if(_running) {
+       _oilTempTarget = 363.0f + (30.0f * (power/_power0));
+       tau = 600;
+       // Reduce tau linearly to 300 at max power
+       tau -= (power/_power0) * 300.0f;
+    } else {
+       _oilTempTarget = temp;
+       tau = 1500;             
+    }
+    _dOilTempdt = (_oilTempTarget - _oilTemp) / tau;
 }
 
 }; // namespace yasim