万物杂志，面向未来的科学教育 阅读原文 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。 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，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。 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。 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。 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。 撰文 七君 阅读原文
