酸素濃度

混合気における酸素の量を考えてみました
（間違っているようでしたらご指摘下さい）

世の中は電動化が進んでいるようですが、相変わらずGPを飛ばしています。オイルで汚れるし、振動が多いし、ニードルが面倒だし･･･色々とネガティブな面もありますが、なぜか煙を吐くGP機というのは見ていてワクワクする面もあります。

さて、そんなGP機のニードル設定。ニードルは基本的にキャブへ流し込む燃料流量を調整するものだと思いますが、そこでできる混合気は空気と燃料からできています。夏は締める・冬は開ける、が基本ですが、改めて酸素濃度でも計算してみようかと思った次第。

以下備忘録的に。

・空気中の酸素濃度は約20.95%。地球上では対流が起こっているため地表から80km上空まではこのパーセンテージはほぼ一定とされています。
・便宜上、海抜0mでの気圧は1013.2hPaとなっています。また100mの高度上昇につきおよそ12hPaの減圧が起こります。

先日の天気図。お天気のいい日と較べると15hPa前後も違います。高度にすると100〜150mほどでしょうか。

気圧変化と1立方m中の酸素量

・湿度は0%〜100%まで考えられます。飽和水蒸気圧も考慮しないといけません。

実際の酸素量は以下のように考えられるかと。まずは湿度を考慮しない状態で計算してみます。

・湿度0%・1気圧・0℃の状態

空気1m³中に占める酸素量はpv=nRTより約9.35mol、すなわち約299gと推測されます。

・湿度0%・1気圧・30℃の状態

空気1m³中に占める酸素量はpv=nRTより約8.42mol、すなわち約269gと推測されます。

湿度0%、1気圧下での温度変化と酸素量の関係

したがって湿度0%のまま気圧が変わらず、30℃の気温上昇のみであるとすれば約10%程度の酸素量減少と思われます。

また、飽和水蒸気圧はTetensの式で近似でき、0℃で6hPa、30℃で42hPa程度と考えられます。

飽和水蒸気圧曲線。Tetensの式で近似的に算出。

これらを考慮すると

・湿度100%・1気圧・0℃の状態

空気1m³中に占める酸素量は約297.5gと推測されます。

・湿度100%・1気圧・30℃の状態

空気1m³中に占める酸素量は約258.7gと推測されます。

したがって湿度100%のまま気圧も変わらず、30℃の気温上昇のみであるとすれば約13%程度の酸素量減少と思われます。

反対に温度・気圧が一定のまま湿度だけが変わるとすると

・湿度0%・1気圧・0℃の状態

空気1m3中に占める酸素量は約299gと推測されます。

・湿度100%・1気圧・0℃の状態

空気1m3中に占める酸素量は約297.5gと推測されます。

したがって約0.5%程度の酸素量減少と思われます。

また、気温が30℃であれば

・湿度0%・1気圧・30℃の状態

空気1m3中に占める酸素量は約269gと推測されます。

・湿度100%・1気圧・30℃の状態

空気1m3中に占める酸素量は約258.7gと推測されます。

したがって約3.8%程度の減少と思われます。

こうした関係をおおざっぱにまとめれば

■気温が10℃上昇すれば約3〜4%程度の酸素量減少
■気圧が10hPa減少すれば約1%程度の酸素量減少
■湿度が50ポイント上昇すれば約2%程度の酸素量減少（気温30℃において）
■0℃近くでは湿度はほとんど影響を及ぼさない

となるでしょうか。あくまで理想気体での定義ですし、実際には混合気が爆発するわけですから理論値とは違ってくるはずですが、減少率だけを考えればそんなに変わらないのではないかと思います。

結果、

【湿度の影響を受けやすいのは気温の高い夏場】
【標高による気圧変化も相当影響がある】
【夏と冬では単純計算でも10%くらい酸素濃度が違う】

といったことがいえると思います。

これがニードル何コマ分かはエンジンの個体差などもあるでしょうし一概にはいえませんが、ニードルは約32コマで1回転するので1コマ約3%程度と考えてみても面白いのではないかと思います。僕にはそこまでシビアな調整はできませんが（笑）