发动机水垢的成因及其防治

    连庆勇

    摘要】冷却水在保持发动机正常运转起很大作用，但是水处理不好，会形成水垢，若不及时清除会造成发动机高温、零部件损坏、油耗增加、功率下降等。基于此，本文总结出以下几种水垢的预防和清洗方法。

    【关键词】发动机；水垢；成因；防治

    一、问题的提出

    发动机工作时，汽缸内燃气的温度可高达2200～2800K，循环的平均温度也有970～1300K，与高温气体接触的零部件将剧烈受热。冷却系添加冷却水的作用就是将零件所吸收的热量及时散出，以使它们的温度保持在适当范围内，保证发动机正常工作，延长其使用寿命。对多数水冷式发动机而言，稳定工作状态下，其最适宜的冷却水温度应保持在80～90oC 。

    铁路工务机械（轨道车、随车吊机等）在使用过程中，由于受现场环境限制，冷却水长期未更换或者补充不及时，且添加的水一般是富含钙、镁离子的硬水，致使发动机工作一段时间后，冷却系内壁就会产生大量的水垢。

    判定发动机是否积垢的方法是打开散热器加水口盖，若发现其上水室较脏或加水口处有水垢粘结，以及机械行驶中遇上坡时容易开锅、下坡或停车后降温较快的现象，便可诊断为发动机冷却系中有严重的水垢。

    二、水垢的危害

    水垢一般为积聚在金属表面呈灰白色的碳酸钙、硫酸钙等物质。水垢使冷却系金属内壁涂上一层隔热材料，导致散热条件恶化，降低了零部件的传热效率，引起水温过高，造成发动机冷却不足，引发如下的故障：①进入汽缸的充气量因空气受热膨胀而减少，充气系数下降，混合气燃烧不正常，引起敲缸、早燃或爆燃现象，造成发动机功率下降。②使机油因高温加速氧化、粘度下降，更早地劣化变质、烧损，造成润滑不良，容易烧瓦。③发动机过热后，其各部机件润滑条件恶化，破坏了零件间的配合间隙，加剧磨损或因受热膨胀卡滞，损坏机件（如常见的活塞环拉缸、活塞裙部烧结咬死等）。④烧坏缸盖上的水道与油道的胶圈，烧坏缸套的防水胶圈；⑤受热零件的热应力增大，气门座易变形引起气门烧损，使缸盖在气门座之间的鼻部产生热裂。⑥使水道不同程度变窄、流水不畅直至堵塞，造成局部机件温度升高，造成传动带打滑、散热器芯子胀裂而漏水等。

    三、水垢产生的原因

    水垢的形成原因有两种：物理变化和化学变化。物理变化主要是指随着发动机的温度升高，硬水中的大量矿物质诸如硫酸钙之类呈过饱和状态析出，粘附在冷却系统内壁上形成水垢的；化学变化主要是指硬水中某些矿物盐和杂质随温度的升高而发生化学反应，形成难溶解物质而沉积于冷却系统内壁上，形成水垢。其化学方程式有：

    Ca（HCO3）2 = CaCO3↓+ CO2↑+H2O

    Mg（HCO3）2 = MgCO3↓+ CO2↑+ H2O

    碳酸镁微溶于水，可继续与水反应，生成更难溶的氢氧化镁。

    MgCO3 + H2O = Mg（OH）2↓ + CO2↑ （此反应很少）

    四、水垢的预防及除垢对策

    （一）预防水垢的方法

    水垢形成的根源在于水质问题，所产生的水垢主要成分是硫酸钙和碳酸钙等。因此减少水源中的矿物质金属离子，软化水质，是防止和减少水垢形成的关键。

    1、煮沸法。硬水烧开后，矿物质会沉积下来，取上面的清洁水用作冷却水加注，这样就减少水垢的形成数量。此方法虽简单，却不能彻底软化水。

    2、物理法。常用物理法是在管路中安装磁水器和高频改水器，以改变冷却水本身及所含杂质的物理特性，从而减少和防止水垢的形成。

    安装磁水器：其防止结垢的原理，是利用在磁场作用下水被磁化，改变水分子，即改变水中离子和由这些离子所形成的化合物的晶格结构，从而改变水中钙、镁离子的析出条件，使其不易结垢并形成松散水渣随循环水排出。按磁场产生的方式可分为永磁式和电磁式。磁水器的特点是结构简单、安装和使用方便，但应定期测磁检修。

    安装高频改水器：其防止结垢的原理，是让冷却水以一定的速度通过由高频振荡器所产生的高频电场，以改变水中结垢物质的性质，使其生成粘结性及附着力都很低的松散水渣，便于排污来达到防垢的目的。高频改水器的特点是结构简单、体积小、耗电少，使用方便。

    3、加入软化剂法。在须处理的硬水中，按每升水加0.5～1.5g碳酸氢钠或每升水加0.6～0.7g氢氧化钠的比例，添加软化剂，搅拌沉淀后，用上面的清洁水注入冷却系统中。其离子方程式为：

    碳酸氢钠法 HCO3- + H2O = H2CO3+ OH-

    Ca2++ 2OH- = Ca（OH）2

    Mg + 2OH- = Mg（OH）2 ↓

    氢氧化钠法 Ca2++ 2OH- = Ca（OH）2

    Mg + 2OH- =Mg（OH）2↓

    4、常年使用防腐剂（重铬酸钾K2Cr2O7）法。在冷却液中经常加注重铬酸钾，既能起到防止水的腐蚀，也能减少水垢的产生。另外如康明斯发动机规定使用DCA冷却液、卡特彼勒发动机规定使用加有防锈剂及防冻液的冷却液，都能起到防止穴蚀、锈蚀、水垢及防冻作用。

    终上所述，为使发动机冷却系功能正常，控温有效，水道不被堵塞，机件不被腐蚀，要求所用冷却水应是经过软化处理的干净水。若不得已加注自来水、井水或河水等硬水时，水质一定要好：水中所含的钙、镁类化合物要少，且无泥沙和其它沉淀物。除了要把住加注冷却水这一关外，还须采取其它预防措施，如：不使冷却系缺水、漏水，保持冷却系的良好密封性，定期清洗发动机冷却系等。为了除垢除锈，也可在冷却水中加入适量的除锈除垢剂。以上这些措施都可预防或减缓产生水垢。

    （二）水垢的清洗方法

    1、机械法除垢

    对使用中的发动机，清洗水垢前，可先拆去节温器，将水从正常水循环相反的方向压入（即从出水管压入）冷却系，直到放出的水清洁为止。此种机械方法极简单，却很难把水垢清洗干净。

    2、化学清洗法除垢

    鉴于发动机水套的形状比较复杂，一般不宜用机械方法清除水垢，只能采用化学方法除垢。水垢的主要成分是碳酸钙和硫酸钙，碳酸镁和氢氧化镁含量极少，它们可用化学反应来予以消除。下面就介绍一些实用的化学清洗方法：

    （1）苏打（Na2CO3）和水玻璃（Na2SiO3）混合清洗法

    按每升水中加入40g苏打和10g水玻璃配好清洗液。然后把清洗液灌入冷却系，开车运转到出水温度60oC以上，继续运转两小时左右停车，然后放出清洗液。待发动机冷却后，用清洁水清洗两次，排净后再灌入冷却水开车运转，使出水温度达到75oC以上，停车放掉污水，最后灌入新的冷却水使用即可。

    （2）磷酸三钠（Na3PO4）清洗法

    先起下节温器保护，再向水箱加入事先配好的磷酸三钠溶液（按每升冷却水加10%的磷酸三钠溶液50～80ml比例），然后起动发动机运转十几分钟后，停机不用；经过一晚上后，放掉冷却液；再加同样用量磷酸三钠溶液，做法同前。如此重复几次，最后将冷却系溶液放出，并用清水冲洗两次，水垢即可消除。其化学方程式如下：

    3CaCO3 + 2Na3PO4 = Ca3（PO4）2↓ + 3Na2CO3

    3CaSO4 + 2Na3PO4 = Ca3（PO4）2↓ + 3Na2SO4

    3Mg（OH）2 + 2Na3PO4 = Mg3（PO4）2↓+ 6NaOH

    注：以上生成物中钠盐易溶于水，磷酸钙疏松易冲洗掉，磷酸镁则像泥渣一样极易冲去。这种方法对缸体不会有腐蚀，因此适用于一切发动机，且清洗效果较理想。

    （3）磷酸（H3PO4）清洗法

    在每升水中加入100g磷酸和50g铬酐，搅拌后注入水箱中，浸泡1h后，起动发动机运转20min，放净清洗液并用清水冲洗几次即可。

    （4）硅酸钠（Na2SiO3）清洗法

    按每升水加15g硅酸钠（俗名：水玻璃）和洗衣粉2g的比例配好溶液，然后将它加入冷却系，使发动机正常运转1h左右，最后放净清洗液并用清水冲洗几次即可。

    （5）盐酸（HCl）清洗

    取下节温器，将冷却水配成5%-8%的盐酸溶液，再加入3～4g/L的LD缓蚀剂，加热至 60oC 后加入冷却系。然后起动发动机，怠速运转1h左右，放出清洗液后，再用清水冲洗3-4次即可。其化学方程式如下：

    CaSO4 + 2HCl = CaCl2 + H2SO4

    CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2↑+ H2O

    MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + CO2↑+ H2O （此反应极少）

    Mg（OH）2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O （此反应极少）

    注：盐酸本身具有去油垢能力，可使冷却系清洗很干净。加入一定量的缓蚀剂，是使其吸附在金属表面形成一层薄膜，保护金属免受腐蚀，并可分解铁锈，起到清除铁锈的作用。

    （6）氢氧化钠（NaOH）清洗法

    清除时可按 10L水加 750g烧碱、150g煤油的比例配制清洗液，注入水箱并让发动机运转 8～10h后放净，另加清水运转20min，一般情况下水垢便可除去。其化学方程式如下：

    CaCO3 + 2NaOH = Ca（OH）2 + Na2CO3

    CaSO4 + 2NaOH = Ca（OH）2 + Na2SO4

    注：以上生成物中，碳酸钠、硫酸钠易溶于水，氢氧化钙浑浊而不沉淀，用水可冲掉。

    （7）碳酸钠（Na2CO3）清洗法

    按10L水中加入纯碱1kg、煤油0.5kg的比例配好清洗液，加入冷却系中浸泡10h左右，让发动机怠速运转0.5h，直至溶液沸腾时放出，再用清水冲洗3-4次即可。

    （8）盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）交替清洗法

    先用8%的盐酸与水搅拌均匀后加入水箱，启动发动机，温度保持在70℃，运转40min后放出清洗物；然后关闭水阀，加入8%的苛性钠溶液，重新启动发动机，运转40min后放出全部清洗物；最后用清水进行冲洗，直至放出的水变清后，再将汽缸水套档板拆下，清除沉淀的污垢。

    （9）除垢剂清洗法

    根据不同车型，向冷却液中加入一定数量的除垢剂，然后起动发动机运转8h后将溶液放出；再用清水反复冲洗至从机体放水阀中流出的冲洗水不发滑为止，最后换上新的冷却液。

    （10）被膜剂清洗法

    被膜药剂溶于水后，便形成了一种胶态负离子，这种胶态负离子与水垢层内钙、镁化合物进行离子交换，使垢层中的一部分不溶物变成了可溶物进入水中，然后水垢层就不断减薄和疏松，形成中空的多孔状物质，在金属表面的附着力就会明显下降，很容易脱落下来，再通过外界水的强力冲刷，来达到除垢的目的。

    此方法是把容水量6%的被膜剂直接倒入水箱内，然后盖上水箱盖，让机械正常运行300h以后，将水箱内的冷却水全部放出，用清水冲洗冷却系水道。原水垢通过被膜剂的作用会松脱下来或在内部溶解，然后在内壁上形成一层保护膜，把金属与水隔开，起到防止结垢及腐蚀的作用。因此采用被膜剂清洗法既能除垢又能防垢。

    使用上述10种清洗方法需要补充的是：①在给发动机除垢时，应注意所选的溶液一定要适合水垢的性质，且不会对缸体产生腐蚀。因此铝合金缸体、缸盖不能采用盐酸、碳酸钠、氢氧化钠清洗法，以免其表面遭受腐蚀。应采取磷酸三钠、磷酸、硅酸钠清洗法才行。②水套和散热器水垢的清洗最好分开进行，以免缸体水套内的铁锈或水垢堵塞散热器水管、芯子。因此在不解体发动机清洗水垢时，要时刻注意仪表盘的水温表变化，若水温超过 95oC 时应停止清洗，检查散热器是否被堵塞，并采取一些补救措施。③发动机大修时，不可忽略清洗水垢，应把解体后的发动机冷却系零件放在蒸煮池内高温蒸煮或用清洗机喷洗法除垢。也可用化学方法，即将散热器置于较稀的氢氧化钠溶液（2～3% 浓度）；铸铁缸体、缸盖在较浓的氢氧化钠溶液（15%浓度，温度60～70oC）中浸泡一晚，以清除水垢；铝合金缸体、缸盖，应置于磷酸三钠、硅酸钠或磷酸清洗液中清洗。④一般发动机在使用三个月或累计工作 500h以后，应清洗冷却系内的水垢。