Dodge Workshop Service and Repair Manuals

Oxygen Sensor: Description and Operation

O2 HEATER RELAY

The oxygen (O2) sensor heater relay is located in the Powertrain Distribution Center (PDC).

Refer to Oxygen Sensor for oxygen sensor relay information.

O2 SENSOR

The Oxygen Sensors (O2S) are attached to, and protrude into the vehicle exhaust system. Depending on the emission package, the vehicle may use
a total of either 2 or 4 sensors.

NAA Emissions Package: Two sensors are used:  upstream (referred to as 1/1) and downstream (referred to as 1/2). With this emission package,
the upstream sensor (1/1) is located just before the main catalytic convertor. The downstream sensor (1/2) is located just after the main catalytic
convertor.

NAS or NAE Emissions Package:  On this emissions package, 4 sensors are used: 2 upstream (referred to as 1/1 and 2/1) and 2 downstream
(referred to as 1/2 and 2/2). With this emission package, the right upstream sensor (2/1) is located in the right exhaust downpipe just before the
mini-catalytic convertor. The left upstream sensor (1/1) is located in the left exhaust downpipe just before the mini-catalytic convertor. The right
downstream sensor (2/2) is located in the right exhaust downpipe just after the mini-catalytic convertor, and before the main catalytic convertor.
The left downstream sensor (1/2) is located in the left exhaust downpipe just after the mini-catalytic convertor, and before the main catalytic
convertor.

An O2 sensor is a galvanic battery that provides the PCM with a voltage signal (0 - 1 volt) inversely proportional to the amount of oxygen in the
exhaust. In other words, if the oxygen content is low, the voltage output is high; if the oxygen content is high the output voltage is low. The PCM
uses this information to adjust injector pulse-width to achieve the 14.7-to-1 air/fuel ratio necessary for proper engine operation and to control
emissions.

The O2 sensor must have a source of oxygen from outside of the exhaust stream for comparison. Current O2 sensors receive their fresh oxygen
(outside air) supply through the wire harness. This is why it is important to never solder an O2 sensor connector, or pack the connector with
grease.

Four wires (circuits) are used on each O2 sensor: a 12-volt feed circuit for the sensor heating element; a ground circuit for the heater element; a
low-noise sensor return circuit to the PCM, and an input circuit from the sensor back to the PCM to detect sensor operation.

Oxygen Sensor Heater Relay:  If the vehicle is equipped with 4 oxygen sensors, a separate oxygen sensor relay is used to supply voltage to the
sensor heating elements. This particular relay is used only for the 1/2 and 2/2 downstream sensors. Voltage for the other 2 sensor heating elements
is supplied directly from the ASD relay. 

To avoid the large simultaneous current surge needed to operate all 4 sensors, power is delayed to the 2 downstream heater elements by the PCM
for approximately 2 seconds.

Oxygen Sensor Heater Elements:  The O2 sensor uses a Positive Thermal Co-efficient (PTC) heater element. As temperature increases,
resistance increases. At ambient temperatures around 70 °F, the resistance of the heating element is approximately 13.5 ohms on this engine. As
the sensor's temperature increases, resistance in the heater element increases. This allows the heater to maintain the optimum operating temperature
of approximately 930 ° - 1100 °F (500 ° - 600 °C). Although the sensors operate the same, there are physical differences, due to the environment
that they operate in, that keep them from being interchangeable.

Maintaining correct sensor temperature at all times allows the system to enter into closed loop operation sooner. Also, it allows the system to
remain in closed loop operation during periods of extended idle.

In Closed Loop operation, the PCM monitors certain O2 sensor input(s) along with other inputs, and adjusts the injector pulse width accordingly.
During Open Loop operation, the PCM ignores the O2 sensor input. The PCM adjusts injector pulse width based on preprogrammed (fixed) values
and inputs from other sensors.

Upstream Sensor - Engine Equipped With 2 Sensors:  The upstream sensor (1/1) provides an input voltage to the PCM. The input tells the
PCM the oxygen content of the exhaust gas. The PCM uses this information to fine tune fuel delivery to maintain the correct oxygen content at the
downstream oxygen sensor. The PCM will change the air/fuel ratio until the upstream sensor inputs a voltage that the PCM has determined will
make the downstream sensor output (oxygen content) correct.

The upstream oxygen sensor also provides an input to determine catalytic convertor efficiency.

Downstream Sensor - Engine Equipped With 2 Sensors:  The downstream oxygen sensor (1/2) is also used to determine the correct air-fuel
ratio. As the oxygen content changes at the downstream sensor, the PCM calculates how much air-fuel ratio change is required. The PCM then
looks at the upstream oxygen sensor voltage and changes fuel delivery until the upstream sensor voltage changes enough to correct the downstream
sensor voltage (oxygen content).