Dodge Workshop Service and Repair Manuals

Oxygen Sensor: Description and Operation

OXYGEN SENSOR

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

Federal Emission Packages : 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.

-

California Emission Packages: 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 O2 sensor case housing.

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 4 oxygen sensors are used, a separate heater relay is used to supply voltage to the sensors heating elements
for only the 1/2 and 2/2 downstream sensors. Voltage for the other 2 sensor heating elements is supplied directly from the Powertrain Control
Module (PCM) through a Pulse Width Module (PWM) method.

-

Pulse Width Module (PWM): Voltage to the O2 sensor heating elements is supplied directly from the Powertrain Control Module (PCM)
through two separate Pulse Width Module (PWM) low side drivers. PWM is used on both the upstream and downstream O2 sensors if
equipped with a Federal Emissions Package, and only on the 2 upstream sensors (1/1 and 2/1) if equipped with a California Emissions
Package. The main objective for a PWM driver is to avoid overheating of the O2 sensor heater element. With exhaust temperatures increasing
with time and engine speed, it's not required to have a full-voltage duty-cycle on the O2 heater elements.

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 ohms. 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 - Federal Emissions Package : 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 - Federal Emissions Package : 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).