大卡车和巴士减速为什么会发出“tui tui tui”声?

来源:把科学带回家 | 编辑: 界小娟 2022-10-30 20:18

  不知道大家注意到没有,大型车辆,比如卡车和巴士减速经过时,常常发出类似“tui tui tui”的高频短促噪音。

  大卡车和巴士的巨大“屁”声,要从一桩惊险事故和一个依靠裙带关系才没有失败的伟大发明说起。

  卡车和巴士的“屁”声和它们烧的油有关。许多大型车辆烧的是柴油,而不是小轿车的汽油,而用柴油的卡车采用的引擎是柴油引擎,而不是小轿车的汽油引擎。

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  这是因为在所有引擎中,柴油引擎的热效率是最高的。美国机械工程师学会(ASME)介绍,柴油引擎的压缩比是汽油引擎的 2 倍,这意味着柴油引擎的性能比汽油引擎更好,所以重卡普遍使用柴油引擎。

  柴油引擎最早是德国人 Rudolf Diesel 在 19 世纪末发明的。美国也有自己的柴油引擎,美国的柴油引擎之父叫做 Clessie Lyle Cummins,现在康明斯牌卡车用的就是他的姓。不过在 20 世纪初,柴油引擎卡车还没有现在这么普及。

  1931 年 8 月,为了推广和证明自己研发的柴油引擎的实力,Cummins 和小伙伴 Ford Moyer、Dave Evans 打算三人轮班驾驶康明斯牌的柴油卡车,从纽约一直开到洛杉矶,想要创造卡车车速的记录。Cummins 没有料到的是,他差点创造了卡车车祸的记录。

  Cummins 三人组在美国汽车协会的见证下,在当时他们驾驶的柴油卡车前的留影。图片来源:美国机械工程师学会(ASME)

  实际上柴油引擎在发明之初配备的制动(刹车)装置和汽油引擎一样,靠的是类似“刹车片”的装置摩擦减速。Cummins 和小伙伴一上路就发现“刹车片”刹不住柴油引擎卡车,这就对柴油车的刹车系统造成了很大的压力。

  这个顿悟在加州的一条险道上得到了升天升华。

  这个地方就是卡洪隘道(Cajon Pass)。它是一条 56 千米长的陡峭且曲折的石子山路,山路上穿插着许许多多的十字路口,用现在的眼光看简直是卡车的冥道。

  位于加州的卡洪隘道(Cajon Pass)。图片来源:wikipedia

  Cummins 回忆,那天开到卡洪隘道附近的时候,Dave 正好要和他换班,他告诫 Cummins,到时一定要把大家都叫醒。但是真到了那儿,刹车片已经被摩擦得火热,完全顶不住了。用他的原话来说,他“绝望地”尝试减速,但是一点用也没有。后面的两个老弟也都因为车速过高而吓醒了。

  接着,戏剧性的一幕出现了。远方有一个发着红光的东西正在横穿十字路口。他们定睛一看原来是一辆运货的火车。Cummins 说,当时 Dave 和 Ford 都崩溃了,在后面试图靠声波减速(大喊大叫)。幸运的是,当他们的卡车开到十字路口时,那辆火车的屁股恰好擦过,三个人总算没有当场去世。

  这次惊险的旅途确实创了纪录:跨越 5172 千米的路程只用了 97 小时 20 分钟。但是那幕刹车失灵的场景也给 Cummins 留下了终身阴影。

  在 24 年后,已经退休的 Cummins 开始在自家地下室里设计不会被摩擦坏的柴油引擎制动系统。1957 年,Cummins 终于在费城的一个酒店旅馆里想到了解决方法。他的方案就是,用柴油引擎自己来踩刹车。

  年迈的 Cummins 还在进行柴油引擎相关的研发。图片来源:美国机械工程师学会(ASME)

  这个刹车系统叫做皆可博发动机制动器(Jacobs brake),也常常被称为杰克刹车(Jake Brake),或压缩释放式发动机制动。

  杰克刹车的原理也不复杂,它其实就是靠“泄气”来减速,而这依靠的是柴油引擎的四冲程循环。

  四冲程循环可以简单地归结为:吸气(进气)、憋气(压缩)、点火、放屁(排气)。

  柴油引擎的四冲程循环。图片来源:jacobsvehiclesystems.com

  在吸气阶段,引擎吸入了空气。

  在憋气压缩阶段,空气被压缩。根据理想气体状态方程,气体体积越小,温度越高,这样柴油就被点燃了,第三阶段达成。

  在最后的排气阶段,爆炸的气体膨胀,推动活塞往下,为车辆输入机械能。接着,活塞缩回,将废气排出。

  Cummins 对排气管进行了改造,让司机可以手动打开排气阀,在柴油为卡车输入动力之前就将炙热的气体排出去,同时吸收卡车动力使这个过程重复,最终让卡车失去动力而减速。

  Cummins 设计的杰克刹车(右)在压缩后就将气体排出,把燃油动力“泄”掉。图片来源:jacobsvehiclesystems.com

  当年他就为这个设计申请了专利。虽然后来的实践证明,杰克刹车能够有效延长柴油引擎的寿命(皆可博还称,杰克刹车可以将传统刹车的寿命延长 2 - 3 倍),不过当时没有任何主流汽车厂商看好这种新型刹车系统,而它的最终面世还是靠着一层裙带关系。

  原来,Cummins 的大侄子被爹妈安排了一次相亲,相亲对象是当时是世界上最大的钻头制造商 Jacobs Manufacturing Company 副主席的闺女。

  这俩人一见面就对上眼了,而亲家也互相对上眼了。女方家长对 Cummins 的发明展现出了很强的兴趣。就这样在 1961 年,第一辆具有杰克刹车系统的卡车 Cummins NH 系列出厂。当然了,女方公司名 Jacobs 也是皆可博发动机制动器这个名字的由来。

  美国机械工程师学会称,在之后的数十年里,杰克刹车一直是美国乃至全世界重型柴油卡车的标配(如 CAT、Mack),后来美国的军事车辆也采用了这种制动装置。我国的东风 dCi、玉柴 6K、西安康明斯等厂家也都装用杰克刹车系统。

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  因为对柴油卡车性能和安全驾驶的贡献,杰克刹车被收录为第 81 个国家级机械工程历史地标(National Historic Mechanical Engineering Landmark)。

  直到现在杰克刹车依然是重卡的主流辅助制动系统。

  但是,杰克刹车也有很多缺点,第一就是排气时气体震动引发的巨大噪音。因此在靠近住宅密集区域,杰克刹车往往会被禁止使用。

禁止杰克刹车的标牌。图片来源:wikipedia

  此外,杰克刹车一开就要排出许多废气,污染很大,而现在许多国家对柴油引擎提出了环保要求,所以杰克刹车也受到了来自新型制动系统(比如涡轮增压器)的竞争压力。

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  最后要指出的是,大型车辆的制动系统往往有很多套,许多巴士和卡车在停车时那一声长而哀怨的“切”声并不来自杰克刹车,而来自另一种常见刹车系统 —— 气动制动机。

  气动制动的声音

  简单来说,气动制动机是利用高压空气踩刹车的制动系统。在司机启动气动制动时,高压气体在被排出的同时使车轮停止滚动,这高压气体的泄气声就是大车停车“屁声”的来源了。

  总而言之:

  超车靠吸气,停车靠放屁,安全靠“运”气。

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