發(fā)動(dòng)機(jī)水垢的成因及其防治

連慶勇

摘要】冷卻水在保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)起很大作用，但是水處理不好，會(huì)形成水垢，若不及時(shí)清除會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)高溫、零部件損壞、油耗增加、功率下降等。基于此，本文總結(jié)出以下幾種水垢的預(yù)防和清洗方法。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)；水垢；成因；防治

一、問(wèn)題的提出

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，汽缸內(nèi)燃?xì)獾臏囟瓤筛哌_(dá)2200～2800K，循環(huán)的平均溫度也有970～1300K，與高溫氣體接觸的零部件將劇烈受熱。冷卻系添加冷卻水的作用就是將零件所吸收的熱量及時(shí)散出，以使它們的溫度保持在適當(dāng)范圍內(nèi)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，延長(zhǎng)其使用壽命。對(duì)多數(shù)水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)而言，穩(wěn)定工作狀態(tài)下，其最適宜的冷卻水溫度應(yīng)保持在80～90oC 。

鐵路工務(wù)機(jī)械（軌道車、隨車吊機(jī)等）在使用過(guò)程中，由于受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，冷卻水長(zhǎng)期未更換或者補(bǔ)充不及時(shí)，且添加的水一般是富含鈣、鎂離子的硬水，致使發(fā)動(dòng)機(jī)工作一段時(shí)間后，冷卻系內(nèi)壁就會(huì)產(chǎn)生大量的水垢。

判定發(fā)動(dòng)機(jī)是否積垢的方法是打開散熱器加水口蓋，若發(fā)現(xiàn)其上水室較臟或加水口處有水垢粘結(jié)，以及機(jī)械行駛中遇上坡時(shí)容易開鍋、下坡或停車后降溫較快的現(xiàn)象，便可診斷為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系中有嚴(yán)重的水垢。

二、水垢的危害

水垢一般為積聚在金屬表面呈灰白色的碳酸鈣、硫酸鈣等物質(zhì)。水垢使冷卻系金屬內(nèi)壁涂上一層隔熱材料，導(dǎo)致散熱條件惡化，降低了零部件的傳熱效率，引起水溫過(guò)高，造成發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻不足，引發(fā)如下的故障：①進(jìn)入汽缸的充氣量因空氣受熱膨脹而減少，充氣系數(shù)下降，混合氣燃燒不正常，引起敲缸、早燃或爆燃現(xiàn)象，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。②使機(jī)油因高溫加速氧化、粘度下降，更早地劣化變質(zhì)、燒損，造成潤(rùn)滑不良，容易燒瓦。③發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱后，其各部機(jī)件潤(rùn)滑條件惡化，破壞了零件間的配合間隙，加劇磨損或因受熱膨脹卡滯，損壞機(jī)件（如常見(jiàn)的活塞環(huán)拉缸、活塞裙部燒結(jié)咬死等）。④燒壞缸蓋上的水道與油道的膠圈，燒壞缸套的防水膠圈；⑤受熱零件的熱應(yīng)力增大，氣門座易變形引起氣門燒損，使缸蓋在氣門座之間的鼻部產(chǎn)生熱裂。⑥使水道不同程度變窄、流水不暢直至堵塞，造成局部機(jī)件溫度升高，造成傳動(dòng)帶打滑、散熱器芯子脹裂而漏水等。

三、水垢產(chǎn)生的原因

水垢的形成原因有兩種：物理變化和化學(xué)變化。物理變化主要是指隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度升高，硬水中的大量礦物質(zhì)諸如硫酸鈣之類呈過(guò)飽和狀態(tài)析出，粘附在冷卻系統(tǒng)內(nèi)壁上形成水垢的；化學(xué)變化主要是指硬水中某些礦物鹽和雜質(zhì)隨溫度的升高而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成難溶解物質(zhì)而沉積于冷卻系統(tǒng)內(nèi)壁上，形成水垢。其化學(xué)方程式有：

Ca（HCO3）2 = CaCO3↓+ CO2↑+H2O

Mg（HCO3）2 = MgCO3↓+ CO2↑+ H2O

碳酸鎂微溶于水，可繼續(xù)與水反應(yīng)，生成更難溶的氫氧化鎂。

MgCO3 + H2O = Mg（OH）2↓ + CO2↑ （此反應(yīng)很少）

四、水垢的預(yù)防及除垢對(duì)策

（一）預(yù)防水垢的方法

水垢形成的根源在于水質(zhì)問(wèn)題，所產(chǎn)生的水垢主要成分是硫酸鈣和碳酸鈣等。因此減少水源中的礦物質(zhì)金屬離子，軟化水質(zhì)，是防止和減少水垢形成的關(guān)鍵。

1、煮沸法。硬水燒開后，礦物質(zhì)會(huì)沉積下來(lái)，取上面的清潔水用作冷卻水加注，這樣就減少水垢的形成數(shù)量。此方法雖簡(jiǎn)單，卻不能徹底軟化水。

2、物理法。常用物理法是在管路中安裝磁水器和高頻改水器，以改變冷卻水本身及所含雜質(zhì)的物理特性，從而減少和防止水垢的形成。

安裝磁水器：其防止結(jié)垢的原理，是利用在磁場(chǎng)作用下水被磁化，改變水分子，即改變水中離子和由這些離子所形成的化合物的晶格結(jié)構(gòu)，從而改變水中鈣、鎂離子的析出條件，使其不易結(jié)垢并形成松散水渣隨循環(huán)水排出。按磁場(chǎng)產(chǎn)生的方式可分為永磁式和電磁式。磁水器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝和使用方便，但應(yīng)定期測(cè)磁檢修。

安裝高頻改水器：其防止結(jié)垢的原理，是讓冷卻水以一定的速度通過(guò)由高頻振蕩器所產(chǎn)生的高頻電場(chǎng)，以改變水中結(jié)垢物質(zhì)的性質(zhì)，使其生成粘結(jié)性及附著力都很低的松散水渣，便于排污來(lái)達(dá)到防垢的目的。高頻改水器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、耗電少，使用方便。

3、加入軟化劑法。在須處理的硬水中，按每升水加0.5～1.5g碳酸氫鈉或每升水加0.6～0.7g氫氧化鈉的比例，添加軟化劑，攪拌沉淀后，用上面的清潔水注入冷卻系統(tǒng)中。其離子方程式為：

碳酸氫鈉法 HCO3- + H2O = H2CO3+ OH-

Ca2++ 2OH- = Ca（OH）2

Mg + 2OH- = Mg（OH）2 ↓

氫氧化鈉法 Ca2++ 2OH- = Ca（OH）2

Mg + 2OH- =Mg（OH）2↓

4、常年使用防腐劑（重鉻酸鉀K2Cr2O7）法。在冷卻液中經(jīng)常加注重鉻酸鉀，既能起到防止水的腐蝕，也能減少水垢的產(chǎn)生。另外如康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定使用DCA冷卻液、卡特彼勒發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定使用加有防銹劑及防凍液的冷卻液，都能起到防止穴蝕、銹蝕、水垢及防凍作用。

終上所述，為使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系功能正常，控溫有效，水道不被堵塞，機(jī)件不被腐蝕，要求所用冷卻水應(yīng)是經(jīng)過(guò)軟化處理的干凈水。若不得已加注自來(lái)水、井水或河水等硬水時(shí)，水質(zhì)一定要好：水中所含的鈣、鎂類化合物要少，且無(wú)泥沙和其它沉淀物。除了要把住加注冷卻水這一關(guān)外，還須采取其它預(yù)防措施，如：不使冷卻系缺水、漏水，保持冷卻系的良好密封性，定期清洗發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系等。為了除垢除銹，也可在冷卻水中加入適量的除銹除垢劑。以上這些措施都可預(yù)防或減緩產(chǎn)生水垢。

（二）水垢的清洗方法

1、機(jī)械法除垢

對(duì)使用中的發(fā)動(dòng)機(jī)，清洗水垢前，可先拆去節(jié)溫器，將水從正常水循環(huán)相反的方向壓入（即從出水管壓入）冷卻系，直到放出的水清潔為止。此種機(jī)械方法極簡(jiǎn)單，卻很難把水垢清洗干凈。

2、化學(xué)清洗法除垢

鑒于發(fā)動(dòng)機(jī)水套的形狀比較復(fù)雜，一般不宜用機(jī)械方法清除水垢，只能采用化學(xué)方法除垢。水垢的主要成分是碳酸鈣和硫酸鈣，碳酸鎂和氫氧化鎂含量極少，它們可用化學(xué)反應(yīng)來(lái)予以消除。下面就介紹一些實(shí)用的化學(xué)清洗方法：

（1）蘇打（Na2CO3）和水玻璃（Na2SiO3）混合清洗法

按每升水中加入40g蘇打和10g水玻璃配好清洗液。然后把清洗液灌入冷卻系，開車運(yùn)轉(zhuǎn)到出水溫度60oC以上，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)兩小時(shí)左右停車，然后放出清洗液。待發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻后，用清潔水清洗兩次，排凈后再灌入冷卻水開車運(yùn)轉(zhuǎn)，使出水溫度達(dá)到75oC以上，停車放掉污水，最后灌入新的冷卻水使用即可。

（2）磷酸三鈉（Na3PO4）清洗法

先起下節(jié)溫器保護(hù)，再向水箱加入事先配好的磷酸三鈉溶液（按每升冷卻水加10%的磷酸三鈉溶液50～80ml比例），然后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)十幾分鐘后，停機(jī)不用；經(jīng)過(guò)一晚上后，放掉冷卻液；再加同樣用量磷酸三鈉溶液，做法同前。如此重復(fù)幾次，最后將冷卻系溶液放出，并用清水沖洗兩次，水垢即可消除。其化學(xué)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：以上生成物中鈉鹽易溶于水，磷酸鈣疏松易沖洗掉，磷酸鎂則像泥渣一樣極易沖去。這種方法對(duì)缸體不會(huì)有腐蝕，因此適用于一切發(fā)動(dòng)機(jī)，且清洗效果較理想。

（3）磷酸（H3PO4）清洗法

在每升水中加入100g磷酸和50g鉻酐，攪拌后注入水箱中，浸泡1h后，起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)20min，放凈清洗液并用清水沖洗幾次即可。

（4）硅酸鈉（Na2SiO3）清洗法

按每升水加15g硅酸鈉（俗名：水玻璃）和洗衣粉2g的比例配好溶液，然后將它加入冷卻系，使發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)1h左右，最后放凈清洗液并用清水沖洗幾次即可。

（5）鹽酸（HCl）清洗

取下節(jié)溫器，將冷卻水配成5%-8%的鹽酸溶液，再加入3～4g/L的LD緩蝕劑，加熱至 60oC 后加入冷卻系。然后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)1h左右，放出清洗液后，再用清水沖洗3-4次即可。其化學(xué)方程式如下：

CaSO4 + 2HCl = CaCl2 + H2SO4

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2↑+ H2O

MgCO3 + 2HCl = MgCl2 + CO2↑+ H2O （此反應(yīng)極少）

Mg（OH）2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O （此反應(yīng)極少）

注：鹽酸本身具有去油垢能力，可使冷卻系清洗很干凈。加入一定量的緩蝕劑，是使其吸附在金屬表面形成一層薄膜，保護(hù)金屬免受腐蝕，并可分解鐵銹，起到清除鐵銹的作用。

（6）氫氧化鈉（NaOH）清洗法

清除時(shí)可按 10L水加 750g燒堿、150g煤油的比例配制清洗液，注入水箱并讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 8～10h后放凈，另加清水運(yùn)轉(zhuǎn)20min，一般情況下水垢便可除去。其化學(xué)方程式如下：

CaCO3 + 2NaOH = Ca（OH）2 + Na2CO3

CaSO4 + 2NaOH = Ca（OH）2 + Na2SO4

注：以上生成物中，碳酸鈉、硫酸鈉易溶于水，氫氧化鈣渾濁而不沉淀，用水可沖掉。

（7）碳酸鈉（Na2CO3）清洗法

按10L水中加入純堿1kg、煤油0.5kg的比例配好清洗液，加入冷卻系中浸泡10h左右，讓發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)0.5h，直至溶液沸騰時(shí)放出，再用清水沖洗3-4次即可。

（8）鹽酸（HCl）和氫氧化鈉（NaOH）交替清洗法

先用8%的鹽酸與水?dāng)嚢杈鶆蚝蠹尤胨?，啟?dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，溫度保持在70℃，運(yùn)轉(zhuǎn)40min后放出清洗物；然后關(guān)閉水閥，加入8%的苛性鈉溶液，重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)轉(zhuǎn)40min后放出全部清洗物；最后用清水進(jìn)行沖洗，直至放出的水變清后，再將汽缸水套檔板拆下，清除沉淀的污垢。

（9）除垢劑清洗法

根據(jù)不同車型，向冷卻液中加入一定數(shù)量的除垢劑，然后起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)8h后將溶液放出；再用清水反復(fù)沖洗至從機(jī)體放水閥中流出的沖洗水不發(fā)滑為止，最后換上新的冷卻液。

（10）被膜劑清洗法

被膜藥劑溶于水后，便形成了一種膠態(tài)負(fù)離子，這種膠態(tài)負(fù)離子與水垢層內(nèi)鈣、鎂化合物進(jìn)行離子交換，使垢層中的一部分不溶物變成了可溶物進(jìn)入水中，然后水垢層就不斷減薄和疏松，形成中空的多孔狀物質(zhì)，在金屬表面的附著力就會(huì)明顯下降，很容易脫落下來(lái)，再通過(guò)外界水的強(qiáng)力沖刷，來(lái)達(dá)到除垢的目的。

此方法是把容水量6%的被膜劑直接倒入水箱內(nèi)，然后蓋上水箱蓋，讓機(jī)械正常運(yùn)行300h以后，將水箱內(nèi)的冷卻水全部放出，用清水沖洗冷卻系水道。原水垢通過(guò)被膜劑的作用會(huì)松脫下來(lái)或在內(nèi)部溶解，然后在內(nèi)壁上形成一層保護(hù)膜，把金屬與水隔開，起到防止結(jié)垢及腐蝕的作用。因此采用被膜劑清洗法既能除垢又能防垢。

使用上述10種清洗方法需要補(bǔ)充的是：①在給發(fā)動(dòng)機(jī)除垢時(shí)，應(yīng)注意所選的溶液一定要適合水垢的性質(zhì)，且不會(huì)對(duì)缸體產(chǎn)生腐蝕。因此鋁合金缸體、缸蓋不能采用鹽酸、碳酸鈉、氫氧化鈉清洗法，以免其表面遭受腐蝕。應(yīng)采取磷酸三鈉、磷酸、硅酸鈉清洗法才行。②水套和散熱器水垢的清洗最好分開進(jìn)行，以免缸體水套內(nèi)的鐵銹或水垢堵塞散熱器水管、芯子。因此在不解體發(fā)動(dòng)機(jī)清洗水垢時(shí)，要時(shí)刻注意儀表盤的水溫表變化，若水溫超過(guò) 95oC 時(shí)應(yīng)停止清洗，檢查散熱器是否被堵塞，并采取一些補(bǔ)救措施。③發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)，不可忽略清洗水垢，應(yīng)把解體后的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系零件放在蒸煮池內(nèi)高溫蒸煮或用清洗機(jī)噴洗法除垢。也可用化學(xué)方法，即將散熱器置于較稀的氫氧化鈉溶液（2～3% 濃度）；鑄鐵缸體、缸蓋在較濃的氫氧化鈉溶液（15%濃度，溫度60～70oC）中浸泡一晚，以清除水垢；鋁合金缸體、缸蓋，應(yīng)置于磷酸三鈉、硅酸鈉或磷酸清洗液中清洗。④一般發(fā)動(dòng)機(jī)在使用三個(gè)月或累計(jì)工作 500h以后，應(yīng)清洗冷卻系內(nèi)的水垢。