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基于船用柴油机自适应模型的性能优化技术研究

摘要

随着数值仿真技术的发展，基于模型的柴油机性能优化方法已成为船用柴油机运

行维护中的一个重要手段。但该方法的应用对柴油机模型的精度要求较高，然而船用

柴油机长期运行过程中不可避免的会发生零部件老化情况导致柴油机状态偏移，对应

的柴油机模型若不进行适当修正，对后续基于模型的柴油机性能优化会产生严重影响，

目前相关研究中很少有人考虑到此问题。鉴于此，本文首先开展了船用柴油机模型自

适应修正研究，提出了一种基于NSGA-III算法的船用柴油机模型自适应修正方法，算

法能够根据柴油机模型与实际柴油机输出性能的偏离量对柴油机模型输入参数进行修

正，使得柴油机模型能够始终精确地跟踪实际柴油机的输出，从而实现柴油机模型的

自适应修正，最后基于自适应修正后的柴油机模型实现柴油机的性能优化。

首先，本文基于GT-POWER软件建立了具有预测能力的船用柴油机仿真模型，并

根据四个典型工况的缸压与放热率实验数据对仿真模型标定与验证，其仿真数据与实

验数据基本一致，满足建模要求。接着为了实现模型自适应修正与优化过程中模型的

快速迭代，本文通过二次多项式与混合径向基神经网络相结合的方式建立了柴油机二

阶响应模型，并对二阶响应模型进行了评估验证。结果表明，所建立的二阶响应模型

精度较高，具有较强的泛化能力与预测能力。然后通过柴油机GT-POWER仿真模型模

拟了21种柴油机状态偏移情况，利用NSGA-III算法对不同状态偏移情况下的二阶响应

模型自适应修正。结果表明，二阶响应模型自适应修正过程中能准确识别发生偏移和

未发生偏移的状态特征参数，且自适应修正后的二阶响应模型与柴油机实际输出性能

的相对误差都在0.9%以内，证明自适应修正后的二阶响应模型能够精确地跟踪柴油机

的实际输出。最后基于自适应修正后的二阶响应模型对柴油机燃油消耗率、NOx以及

实际功率与当前工况额定功率误差进行了优化。不同状态偏移情况下优化后的二阶响

应模型输出功率与当前工况额定功率都在3kW以内，且燃油消耗率平均降低了0.62%，

NOx平均降低了13.11%。通过柴油机GT-POWER仿真模型对优化结果进行验证，其结

果表明基于自适应修正后的二阶响应模型得到的柴油机性能优化结果是准确可靠的。

关键词：船用柴油机；NSGA-III；自适应修正；二阶响应模型；性能优化

基于船用柴油机自适应模型的性能优化技术研究

Abstract

Withthedevelopmentofnumericalsimulationtechnology,model-basedoptimization

methodsfordieselengineperformancehavebecomeanimportantmeansintheoperationand

maintenanceofmarinedieselengines.However,theapplicationofthismethodrequiresahigh

levelofaccuracyfordieselenginemodels.However,duringthelong-termoperationofmarine

dieselengines,itisinevitablethatcomponentagingwilloccur,leadingtodisplacementofthe

dieselenginestate.Ifthecorrespondingdieselenginemodelisnotappropriatelymodified,it

willhaveaseriousimpactonthesubsequentmodel-basedperformanceoptimizationofdiesel

engines.Currently,fewstudieshaveconsideredthisissue.Invi