1. 引言
随着全球经济的快速发展，气候变化问题不断突出，各个国家和各个企业也开始发展各行业的绿色、低碳经济。随着气候不断变暖，全球气候发生灾难性变化，“双碳目标”节能环保、绿色可持续发展已成为人们所关注的热点问题。
在2015年12月通过了《巴黎协定》，该协定明确了将21世纪末全球平均气温控制在2℃之内，并力争将1.5℃温控目标确立为我国长期努力方向[1]。中国力争在2060年前完成碳中和[2]。2020年11月，国务院颁布《清洁能源汽车工业发展计划(2021~2035年)》，为推进我国汽车工业强国打下坚实基础[3]。
众所周知，交通运输行业一直以来都是温室气体的排放大户，对国家制定的“30•60计划”必须做出汽车行业绿色变革和产业结构调整。汽车工业作为目前国民经济的主要产业其产业链涉及的区域不仅是生产原料，同时也是消费产品，社会各行各业都离不开汽车产品[4]。汽车行业的整体碳排放是实现汽车碳总量达峰、总量中和的关键一步。据中汽数据统计，我国2021年燃油汽车保有量达到了2.32亿辆。并且随着汽车保有量的上涨，CO2排放达7.02亿吨，较2017年的6.25亿吨有明显的增加。由于汽车产业涉及的领域众多，实际的碳排放的数值还远远高于所统计出的数据。我国CO2在交通运输行业的碳排放量占我国CO2总排放量的11%~12%，由此可见，汽车行业将面临巨大挑战[5]。汽车行业面临巨大挑战，必须调整高碳制造发展模式，推动绿色低碳技术升级。
本文旨在系统比较汽车碳中和的三条路径的轻量化、新能源动力系统和绿色燃料内燃机的减排潜力，评估其可行性，识别关键障碍，并提出综合策略。本文将从减排潜力、技术成熟度、经济成本、资源与环境影响、政策依赖度和产业化时间表等维度进行分析，并通过比较表格直观展示各路径的特点。最后，文章将探讨绿色燃料内燃机作为未来最有前景的低碳技术路径的依据。
本文通过系统性文献综述方法，筛选和分析了汽车行业碳中和路径的相关研究。文献搜索范围包括Web of Science、Scopus、中国知网等数据库，时间跨度为2010年至2025年。
2. 轻量化路径优势
在如今低碳经济背景下汽车原材料选取逐渐趋向轻量化、高性能、低碳高效方向发展。数据显示，若车身质量减轻10%，燃油消耗率可提高6%~8%；动力电池续航能力就会增加10%~11% [6]。因此，汽车轻量化是促进汽车“节能减排”的有效途径之一，也在一定程度上取决于汽车材料的未来发展。在汽车低碳背景下的轻量化过程中不仅仅要保证汽车在运行过程中的使用寿命、安全性而且还要保证汽车本身的可靠性。针对汽车的轻量化路径有轻量化材料、轻量化制造工艺、轻量化结构等。在汽车轻量化设计当中通过材料的合理分布、工艺实现材料性能优化、提高汽车整体结构性能和设计效率来实现汽车的轻量化，推动我国汽车行业持续健康的发展。
2.1. 材料轻量化
汽车轻量化是指在确保汽车强度和运行平稳性的基础上，降低汽车整体重量[7]。马晓坤等[8]探讨了碳纤维技术在汽车上的高效成型技术和碳纤维复合材料在汽车上的应用。随着低成本碳纤维复合材料的利用机制不断完善，碳纤维复合材料是汽车节能减排提高燃油经济性的重要手段。
徐树杰等[9]借助GREET软件，构建原生材料与轻量化材料能耗、排放差异模型通过调整轻量化材料比例来比较传统材料与轻量化材料能耗、排放情况。由图1可知随着轻量化材料应用比例的升高，总能耗逐渐下降。经对比，使用轻量化材料比使用原生材料能耗减少33%。由图2可知，随着轻量化应用比例的升高，三种温室气体的排放量逐渐降低。其中，CO2排放量减少42%，N2O和CH4的排放量也有减少。此外，轻量化材料的应用范围正在不断扩大，未来有望进一步降低汽车的碳排放。
图1. 轻量化材料应用比例对能源消耗的影响[9]
图2. 轻量化材料应用比例对温室气体排放的影响[9]
Palencia等[10]在传统的内燃机中引入零排放车辆(Zero-Emission Vehicle, ZEV)和轻质材料，并建立了一款动态核算模型。利用该模型研究了2010-2050年期间哥伦比亚乘用车存量增长了6.6倍。能源消耗和二氧化碳排放分别增加5.5倍和4.9倍。与2050年的基线值相比，轻量化和纯电动汽车能耗和二氧化碳排放量分别减少了48%和61%。
Jason等[11]对汽车生命周期温室气体排放进行了敏感性和蒙特卡罗分析，以轻量化对生命周期温室气体排放影响为变量。建立混合动力汽车和纯电动汽车的动力系统模型。研究表明，与更高效的混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)轻量化(6 t/CO2eq.)相比，轻量化内燃机汽车(Internal Combustion Engine Vehicle, ICEV)在基本情况下的温室气体减排(10 t/CO2eq.)效果更好。与汽油车相比，电动汽车的轻量化可导致更高或更低的温室气体减排，这在很大程度上取决于电力来源。
Palencia等[12]探讨了汽车动力系统、车辆尺寸和轻量化材料对轻型载客车能源使用、CO2排放和成本的影响。与2050年的基线值相比，纯电动汽车的推广具有能耗和CO2减排潜力，分别为70.6%和92.2%；相比之下，到2050年，小型轻型燃料电池混合动力汽车的潜在能耗和CO2排放量分别减少了55.4%和82.9%。轻量化显著降低了电池电动汽车和燃料电池混合电动汽车的资本成本。
因此随着轻量化材料逐渐兴起和应用尤其是现在的复合材料的强度性能得到增加，以此实现降低汽车零部件重量的目标但轻量化工作还需进一步深入，增加结构优化技术研究深度、扩大应用范围，从而激发汽车材料轻量化最大潜力，材料轻量化更有潜力做到汽车高效低排。
2.2. 结构轻量化
汽车结构轻量化是指汽车的结构布局结构外形和结构尺寸等相关结构参数作为设计变量，把汽车结构的质量、刚度、强度和耐撞性等性能作为约束条件或目标函数，并结合计算机辅助技术建立数学模型再通过优化算法求解数学模型的一种方法[13]。徐建全等[14]对纯电动汽车和传统汽车做轻量化优化研究，经优化后，纯电动汽车与传统汽油车钢材用量减少分别为6.44%和6.41%，纯电动汽车能耗减少3.20%，温室效应(global warming potential, GWP)减少2.84%；传统汽油车能耗减少3.21%，GWP减少2.88%。陈文斐[15]以计算机辅助工程结构优化技术为基础，对解决汽车燃油经济性、排放问题提升经济效益发挥积极的推动作用。
王品健[16]通过结构优化设计对纯电动汽车电池包的结构件进行形貌优化和尺寸优化。优化后发现，在保持良好的静态性能前提下，电池包的整体质量减少6.3%并且动态性能得到改善。廖先才[17]对电动汽车碳纤维复合材料地板进行优化设计。确定了碳纤维复合材料地板的铺层设计方案使地板结果获得了36.6%的减重，显著降低CO2排放量，实现经济和环境的双赢。
2.3. 工艺轻量化
汽车工艺轻量化指采用铸造成形工艺，有效提高材料利用率[18]。吉泽升等[19]探究了挤压铸造的工艺特点，列举了挤压铸造在丰田汽车轻量化各方面应用实例。张鹏等[20]介绍了内高压成型工艺、热压成型工艺、辊压成型工艺不仅能减轻零部件质量，而且能提高资源利用从而减少零件使用数量，避免材料浪费以达到节能减排的目的。赵雨[21]分别介绍了激光焊接技术制造工艺、热成型技术制造工艺，在制造汽车零部件时，可以用激光焊接技术和热成型技术来提高汽车材料的使用效率，进而有效减少汽车尾气的排放和对环境的污染程度。
就以上三种轻量化路径而言，材料轻量化才是最有可能靠近碳中和目标路径之一。虽然另外两条路径能减少车身自重但受到研究成本、碳排放、燃料经济性、铸造技术等诸多方面的限制。在汽车轻量化材料方面，具有多元化的发展趋势，在未来汽车轻量化材料的解决方案中，可通过技术改进来降低材料成本、提高利用率、开发兼具环保性和可回收性为一体的新材料[22]。为在材料轻量化目标下实现节能减排和绿色发展道路做出积极贡献。
3. 新能源汽车路径
根据数据显示，我国交通行业的碳排放占总排放的28%，推广新能源汽车是实现“碳中和”目标的重要方式[23]。经预测，预计2030年我国机动车保有量可达3.5亿到5.5亿辆[24]。中国日益增长的交通出行需求对“碳中和”提出了新一轮的挑战。对此，中国正积极推动新能源汽车，以此来减少二氧化碳排放。但是，新能源汽车是否有利于实现二氧化碳减排？[25]
3.1. 新能源混合动力汽车(HEV)
混合动力汽车是指将电动机与发动机作为汽车动力驱动。既能发挥发动机的优点，又能发挥电动机无污染零排放的好处。混合动力汽车可明显提高发动机热效率和改善尾气排放等问题。混合动力系统总成已从电机离散结构向一体化结构发展[26]。
混合动力汽车路径优势
梁炉等[27]选取同类型传统汽油车和两款插电式混合动力为研究对象。插电式混动汽车的HC、CO、CO2、CH4、N2O排放较传统燃油车分别降低19%、18.4%、21.3%、28.6%和25%，PM、NOX和SOX分别增加4.7%、22.3%和58%。而另一款插电式混动汽车生命周期CO、CO2、CH4、HC和N2O排放较传统燃油车分别降低25%、24.6%、27.4%、32.5%和33.3%，PM、NOX和SOX分别增加2.3%、12.6%和36%。可见，插电式混合动力汽车有利于降低汽车HC、CO、CO2、CH4和N2O的排放。
丁振森等[28]对比燃料电池汽车和插电式混合动力汽车的节能减排差异评价，同级别的插电式混合动力汽车比同级别燃料电池汽车更节能环保。除了维修阶段，插电式混合动力汽车的臭氧前躯体潜值明显高于燃料电池汽车。在全球变暖潜值上，燃料电池汽车明显高于插电式合动力汽车刘大鹏等[29]选取某款同级别纯电动汽车与混合动力汽车作为研究对象。对HEV和BEV的各个阶段能耗与排放对比发现，混合动力汽车比纯电动汽车更节能环保。特别是BEV原料生产阶段的CO排放高出HEV 60%。
García等[30]评估了串联混合动力汽车使用四种不同低碳燃料(Low Carbon Fuels, LCF)的潜力，并将结果与传统柴油燃烧的结果进行了比较。以评估轻型车辆试验循环(World Light Vehicle Test Cycle, WLTC)的燃油消耗和发动机排放NOX性能，结果表明，在所有测试燃料中串联式混合动力车辆在100%有效载荷的情况下，油耗降低了5%。但由于混合动力车在蓄电池充电期间以更高的发动机转速和负载运行，其发动机外NOX排放水平显示出16%的性能较差，特别是在燃油效率方面，有助于减少二氧化碳排放。
高建平等[31]探究了插电式混合动力汽车(Plug In Hybrid Electric Vehicle, PHEV)的电源功率分配策略，在能量分配策略相同的前提下，使用复合电源后，燃油经济性提高3.4%，纯电动行驶里程数增加1.3%。潘广纯等[32]为提高混动车燃油经济性，建立模型控制策略。分析得出在100 km的油耗为5.64 L，MPC策略与基于规则控制策略相比，燃油经济性提高8.03%。有效的提高了汽车的燃油经济性。
3.2. 新能源纯电动汽车(BEV)
纯电动汽车是指完全由电池提供动力源，行驶过程中实现零排放。纯电动汽车使用单一的电能源供能，然而，目前纯电动汽车仍然面临着续航较短、安全性较差，制造和使用成本较高，充电设施仍然是其发展的主要障碍[33]。
纯电动汽车路径优势
刘斌等人[34]在汽车产业创新论坛介绍了，由于我国使用煤发电占到了全国发电的74%，每发一度电会产生0.61 kg的CO2平均每百公里耗12.4度电，每万公里产生0.76吨CO2。而一辆6.31 L/100km的汽车1L汽油消耗产生0.3 kg的CO2，每万公里消耗1.5吨CO2并且上游炼油环节产生0.2吨CO2显而易见电动汽车比传统燃油车每一万公里可以减少0.94吨CO2排放。探究了对同类型同规格同大小的车辆进行了全生命周期对比评价。如图3所示，比较丰田卡罗拉汽油版、HEV版、PHEV版和比亚迪秦EV版。卡罗拉汽油版产生176 g/km的CO2排放，秦EV产生118 g/km，减碳效果明显。4辆车跑15年15万公里考虑燃料周期和车辆周期等因素。卡罗拉汽油版分别比较了卡罗拉HEV版、PHEV版、秦EV版。从图中数据可以看出减碳效果分别是23%、25%、33%。也就是说当前和未来，新能源车都是最重要的低碳技术路线。由此可以看出纯电动汽车应是我国低碳行业大力发展的方向。但纯电动汽车技术难度较大如攻克更高能量密度、高续航能力、高寿命、高安全性动力电池、高充电效率充电设施建设的进度等问题。
何义团等[35]对C级车以CO2排放全生命周期为基础来计算对比内燃机汽车和纯电动汽车运输时CO2的排放量，通过计算，内燃机C级车CO2排放总量约为150 g/km，而C级纯电动汽车CO2排放量为111.932 g/km。Tanti等[36]研究了马其他群岛纯电动汽车CO2排放量将混合动力和内燃机车辆的排放量进行比较。研究发现BEV的二氧化碳排放量大大低于混合动力和传统燃料驱动的车辆。
Yu等[37]对汽油车和锂–铁磷酸亚铁电池和镍钴锰锂电池驱动的动力系统进行了全生命周期评估。发现电动汽车的CO2、PM2.5~10、PM2.5、SO2和CO排放量明显低于汽油车。此外，优化电力结构可以分别将GWP、CO和CO2降低15%、37%和14%。此外，电池能量密度增加100 Wh/kg可以减少14%~20%的空气污染物排放。
图3. 同类型车型全生命周期碳排放对比[34]
3.3. 新能源燃料电池汽车(FCEV)
燃料电池是将燃料的化学能直接转换成电能的装置。例如，氢燃料电池是通过电池内部的电化学反应将氢气和氧气的化学能直接转变成电能的装置，过程是氧化还原反应转化为电能，从而驱动电机带动汽车驱动，将反应剩余的电能存储于蓄电池中[38]。
燃料电池汽车路径优势
Hwang等[39]对燃料电池汽车与传统汽油车相比，以光伏电解氢为燃料的燃料电池汽车可以减少约99.2%的能源消耗和46.6%的温室气体排放。然而，使用电网电解氢燃料的燃料电池汽车的生命周期能耗和温室气体排放分别比传统燃料电池汽车高35%和52.8%。基于电网的纯电动汽车相比，以天然气重整氢为燃料的燃料电池汽车的全生命周期能耗和温室气体排放分别约为79.0%和66.4%。
Parikhit [40]提到可再生氢燃料电池汽车的生命周期碳足迹(105~149 g/CO2当量/车辆公里)与加州电网电力充电的纯电动汽车(132 g/CO2当量/车辆公里)相当，约为紧凑型内燃机汽车的一半。
可见燃料电池汽车的碳减排潜力巨大并且燃料电池优点突出运行噪音低、能量转化率高、构造简单便于维修保养、无污染零排放。但是氢的制备、储存、运输、密封还有添加都是目前还未攻关的核心技术，完成碳中和之路还有很远的路要走。综上可以预测未来，中国将大力推进燃料电池汽车核心技术的研究和发展，努力攻克燃料电池汽车技术难题。
4. 绿色燃料内燃机路径
4.1. 氢内燃机
氢气在常温常压下是一种极易燃烧的气体，具有质量热值高、燃烧速度快、扩散性好、燃浓度范围广等优点，氢内燃机具有零碳排放、高效率、高可靠性和低成本的显著优势，成为氢能应用最广泛的原因[41]。并且氢燃料可通过电解绿氢制取，实现CO2和NOx的近零排放。
氢内燃机路径优势
孙柏刚等[42]研究了缸内直喷氢燃料内燃机混合气高效燃烧效率，发现采用高压直喷的策略可将热效率提升至42%，采用废气再循环技术使氢内燃机的污染物NOX降低至0.5 g/kWh。Markus等[43]搭建了氢内燃机样机的台架测试整车实验仿真模型。如图4、图5所示，在串并联混动发动机直接驱动模式进行测试，串并联混合动力系统将缸内直喷(Direct Injection, DI)和进气道燃料喷射(Port Fuel Injection, PFI)氢内燃机在RTS95循环下的运行工况点控制在原始NOX排放小于10 × 10 − 6的区域，系统仿真结果表明，在没有导致氢耗明显增加的前提下，可以实现近零排放的目标。相比原机，在DI氢内燃机将欧洲驾驶循环周期和全球统一轻型车辆测试循环的氢耗分别降低14.4%和14.8%。基于PFI和DI氢内燃机串并联混合动力系统分别实现了613 km和619 km的新欧洲驾驶循环周期续驶里程。由此可见，串并联混合动力系统很好的兼顾了近零排放和续驶里程。预计提高氢内燃机的热效率是一个重要的方向。
图4. 混合动力总成的DI发动机在原始NOX排放万有特性图中的运行工况点(图中黑点) [43]
图5. 混合动力总成的PFI发动机在原始NOX排放万有特性图中的运行工况点(图中黑点) [43]
刘福水等人[44]探讨了PFI和废气再循环系统氢内燃机燃烧和排放特性。在中高负荷时较大的EGR率可以降低NOX排放，反而高负荷EGR率会造成经济性和动力性下降。
Arat [45]对混合动力汽车内燃机使用H2的富集变得更加环保，性能不断提高。H2的富集使内燃机扭矩提高了3.56%，功率提高了2.37%。混合动力模式的累计油耗和排放污染分别下降了12.6%和14%~33%。孙柏刚等[46]分别使用汽油轿车和柴油公交车相比氢内燃机轿车和氢内燃机公交车分别可节约35%以上和20%左右的燃料费用。
4.2. 氨内燃机
氨燃烧只产生清洁无污染的水和氮气，且含氢量高。氨具备：较好的燃烧特性、高辛烷值、能与一般燃料混烧。相对于氢，氨易液化、易贮运、能量密度大。可通过增大压缩比使发动机提高热效率[47]。氨燃料有望对化石能源的高效、清洁替代。氨燃料发动机对减少环境污染、降低温室效应等方面都具有重要意义。
氨内燃机路径优势
图6. 不同掺氨比下尾气中HC的比排放[48]
图7. 不同掺氨比下尾气中CO的比排放[48]
楚育纯等[48]采用以丙烷助燃剂与氨混合燃烧，通过改变氨与丙烷的热值比来实验测试燃料的经济性指和排放特性。分别探讨了氨–丙烷双燃料在发动机中的燃烧排放情况。图6所知，使用丙烷时HC排放较高，在相同掺氨时HC排放随着功率的增大而减小。图7所知，使用不同燃料时柴油掺氨燃烧的CO排放高于丙烷掺氨和汽油掺氨。图8可以看出，掺氨比30%时可减少47%~55%的CO2排放。
图8. 不同掺氨比下尾气中CO2的比排放[48]
高正平等[49]研究当掺混比小于60%时减碳效果较好，提出氨燃烧利用EGR技术可以降低NOX排放。
张瀚镕[50]以氨燃料反应为基础初步探讨了氨燃料燃烧优势，氨的氧化或燃烧反应中，与零碳燃料相关的2个主要反应(如式(1)、式(2))：
4 NH3 + 3 O2→2 N2 + 6H2O (1)
4 NH3 + 6 NO→5 N2 + 6H2O (2)
从成本使用、大规模生产、从能量及储能密度、在安全性方面等都体现了被推广应用，将有利于对传统能源的依赖，从而进一步减少温室气体的排放。Xin等[51]研究不同氨水体积分数对氢内燃机的影响。随着氨水体积分数的增加，增加了发动机的功率，降低了指示热效率。指示平均有效压力和热效率增加添加氨体积分数对NOX排放量影响不大，随着点火时间的推迟，NOX排放量逐渐增加。Liab [52]对柴油机中导点火式氨燃料发动机的低压和高压喷射双燃料模式的燃烧和排放特性进行数值比较。结果表明，低压喷射模式和高压喷射模式的比较表明，低压喷射模式有可能获得更高的指示热效率，而高压喷射模式可以显著降低发动机输出NH3、NOX和温室气体排放。
绿色燃料内燃机在这三种路径中优势明显就氢内燃机为例其有多种方式制取。氢燃料内燃机可使用电解生产的绿氢作为燃料，可实现CO2及NOX的近零排放。是个非常有未来前景的低碳系统。氢内燃机从长远和发展的观点来看很有可能是未来内燃机技术的最新趋势。
5. 总结
本文从轻量化、新能源动力系统和绿色燃料内燃机三个方面对汽车碳中和路径进行了系统分析。在分析过程中每条路径都能对碳中和碳达峰起到一定的促进优化作用。
(1) 从轻量化角度分析汽车材质重量降低和材料低碳角度既能促进汽车节能减排也能改善汽车燃料经济性，无论是新能源汽车还是传统燃油车都很大程度促使了汽车制造和使用的低碳节能目的的达成。在轻量化路径方面对汽车提供了一定的碳中和参考。
(2) 从新能源角度分析了汽车从排放端减轻低碳化和零碳化。分别阐述了混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车对比传统燃油车的燃料经济性、全生命周期排放和能耗都有一定的优势。由于中国74%为火力发电，就混合动力汽车和纯电动汽车而言，低碳本质问题没有得到根本的解决，并且充电桩的修建和普及也是现在面临的主要问题。
(3) 从内燃机角度分析了绿色燃料内燃机，它也是接下来国家节能减排的技术突破口和未来重心，其发展趋势和低碳效果几乎是目前看起来最有实现可能的低碳、零碳之路，但还有很多技术难题仍然限制绿色内燃机的发展趋势。
综上分析绿色燃料汽车，无论是从我国成熟的发动机技术层面还是现在成熟的管道输送和相关的配套设施的广泛使用和低成本，都能看到未来汽车动力对绿色燃料的依赖。虽然新能源汽车也能给人们带来低碳出行，但在新能源整个生命周期来看，它和传统燃油车相比并无多大优势。在碳中和目标下还有很多技术难题需要解决和攻关，绿色燃料内燃机从长远和发展的观点来看很有可能是未来取代传统汽油、柴油等内燃机的替代产品，也是内燃机技术的最新趋势。
Conflicts of Interest
The authors declare no conflicts of interest.