Proses pembakaran yang efisien, baik pada mesin kendaraan maupun sistem pemanas industri, sangat bergantung pada proporsi yang tepat antara bahan bakar yang digunakan dan suplai udara yang tersedia. Hubungan ini dikenal sebagai rasio stoikiometri, sebuah konsep fundamental dalam termodinamika dan teknik mesin. Memahami perbandingan ideal ini krusial untuk mencapai efisiensi energi maksimum, meminimalkan emisi berbahaya, dan memastikan durabilitas mesin.
Rasio stoikiometri adalah jumlah udara teoritis minimum yang dibutuhkan untuk membakar sepenuhnya bahan bakar tertentu tanpa sisa bahan bakar maupun udara (oksigen) yang tidak bereaksi. Untuk bensin (sebagian besar terdiri dari oktan, C8H18), rasio massa stoikiometri udara terhadap bahan bakar adalah sekitar 14,7 berbanding 1. Artinya, dibutuhkan 14,7 kg udara untuk membakar sempurna 1 kg bensin.
Konsep ini sangat penting karena dua ekstrem—terlalu banyak bahan bakar (kaya campuran) atau terlalu sedikit bahan bakar (miskin campuran)—menimbulkan masalah signifikan. Campuran yang kaya akan menghasilkan emisi hidrokarbon (HC) dan karbon monoksida (CO) yang tinggi karena oksigen tidak mencukupi untuk oksidasi total. Sebaliknya, campuran yang terlalu miskin dapat menyebabkan peningkatan suhu pembakaran yang ekstrem, berpotensi merusak komponen mesin, serta menghasilkan oksida nitrogen (NOx) yang lebih banyak.
Meskipun rasio stoikiometri adalah titik referensi, bahan bakar yang berbeda membutuhkan rasio udara yang berbeda karena komposisi kimianya yang unik. Diesel, misalnya, memiliki rasio stoikiometri yang sedikit berbeda dari bensin karena kandungan karbon dan hidrogennya yang berbeda. Diesel cenderung beroperasi dengan campuran yang lebih miskin (rasio udara lebih tinggi) dibandingkan bensin untuk menghindari asap hitam (partikulat karbon).
Bahan bakar alternatif seperti etanol (E100) atau metanol memiliki rasio stoikiometri yang jauh lebih rendah, yang berarti mereka membutuhkan lebih sedikit udara massa untuk pembakaran penuh dibandingkan bensin. Etanol, misalnya, memiliki rasio sekitar 9:1. Mesin yang dirancang untuk bensin dan dijalankan dengan etanol tanpa penyesuaian pada sistem pasokan bahan bakar akan berjalan sangat miskin, menyebabkan masalah performa dan potensi kerusakan akibat panas berlebih.
Pada mesin modern yang dilengkapi dengan injeksi bahan bakar elektronik dan konverter katalitik tiga arah, tujuan utamanya adalah mempertahankan rasio mendekati stoikiometri (lambda = 1). Sensor Oksigen (Lambda Sensor) yang terletak di knalpot secara terus-menerus mengukur sisa oksigen dalam gas buang. Data ini kemudian digunakan oleh Unit Kontrol Mesin (ECU) untuk menyesuaikan waktu dan jumlah injeksi bahan bakar secara real-time.
Kemampuan ECU untuk melakukan penyesuaian halus berdasarkan pembacaan sensor inilah yang memungkinkan kendaraan kontemporer memenuhi standar emisi yang semakin ketat. Tanpa kontrol loop tertutup ini, menjaga rasio udara-bahan bakar tetap optimal di berbagai kondisi operasi (mulai dari idle hingga akselerasi penuh) akan mustahil dilakukan.
Optimalisasi rasio adalah kunci efisiensi. Jika mesin berjalan terlalu kaya, sebagian bahan bakar terbuang tanpa terbakar, menurunkan efisiensi bahan bakar dan meningkatkan emisi CO dan HC. Sebaliknya, jika mesin berjalan terlalu miskin (kecuali pada kondisi tertentu yang sengaja didesain miskin, seperti pada mesin pembakaran homogen), pembakaran tidak tuntas dan suhu naik terlalu tinggi, memicu pembentukan NOx. Oleh karena itu, perbandingan yang tepat adalah kompromi antara daya maksimum, efisiensi termal terbaik, dan kepatuhan terhadap regulasi lingkungan.