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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen des
Arbeitszyklus eines Mehrzylinder-Verbrennungsmotors.
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Man kennt im Stand der Technik bereits eine gewisse Anzahl
von Erfassungsvorrichtungen dieses Typs, die ein mit
Mitteln zur Kodierung der Winkelstellung des Motors im Zyklus
versehenes Ortungsobjekt aufweisen, das beispielsweise mit
einer Nockenwelle des Motors verbunden ist und dem ein
Fühler zur Erfassung der Stellungskodiermittel bei der Drehung
des Ortungsobjekts zugeordnet ist, wobei dieser Fühler mit
Mitteln zur Erfassung des Arbeitszyklus des Motors durch
Analyse des Ausgangssignals des Fühlers verbunden ist.
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In verschiedenen Schriften des Stands der Technik werden
derartige Vorrichtungen beschrieben.
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Beispielsweise sei auf die Schriften FR-A-2 637 652, EP-A-
572 584 und EP-A-602 692 verwiesen.
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Alle Vorrichtungen dieses Typs wurden entwickelt, um eine
Optimierung der Leistungen von Verbrennungsmotoren zu
erreichen, die zu einer sequentiellen Durchführung der
Kraftstoffeinspritzung führt.
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Der Kraftstoff wird dabei zylinderweise über
elektromechanische Einspritzer zugeteilt, die durch einen Rechner zur
Steuerung des Motorbetriebs gesteuert werden.
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Es besteht die Tendenz, diese Vorrichtungen, die bisher
Hochleistungs-Benzinmotoren vorbehalten waren, allgemein
für alle Motoren zu verwenden.
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Bei den Benzinmotoren wird die sequentielle Einspritzung
nämlich durch die Verschärfung der Schadstoffnormen
unerläßlich werden.
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Bei Dieselmotoren wird die Einspritzung bisher durch eine
Abgabepumpe gewährleistet, die durch den Motor mechanisch
und damit synchron mit diesem angetrieben wird.
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Die gegenwärtigen Untersuchungen, die direkte
Einspritzsysteme für Dieselmotoren betreffen, zeigen, daß hinsichtlich
Geräusch- und Verbrauchsleistungen ein lebhaftes Interesse
daran besteht, die Einspritzung elektronisch auf dieselbe
Weise wie bei den den Benzinmotoren zugeordneten Systemen
zu steuern, d. h. mit Hilfe eines Rechners, der
elektromechanische Einspritzer steuert.
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Diese Systeme besitzen eine Vorrichtung zur Erfassung des
Arbeitszyklus des Motors, die auf dieselbe Weise wie bei
den Benzinmotoren arbeitet.
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Die Erfassung der Betriebsphase des Motors wird im
allgemeinen durch einen Fühler gewährleistet, der gegenüber
einem mit der Nockenwelle des Motors verbundenen
Ortungsobjekt angeordnet ist. Diese Nockenwelle führt pro
Motorzyklus eine Umdrehung aus und die Ortung einer Singularität
beispielsweise auf dem Ortungsobjekt gestattet die
Initialisierung der Winkelstellung des Motors im Zyklus.
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Dieses Prinzip besitzt jedoch zwei Nachteile.
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Der erste Nachteil besteht darin, daß die Nockenwelle beim
Anlaufen eine Umdrehung ausführen muß, damit die Ortung
durchgeführt wird, mit anderen Worten, der Motor muß zwei
Umdrehungen ausführen, bevor die erste
Kraftstoffeinspritzung bewirkt wird.
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Gegenüber einem mechanischen Einspritzsystem, bei dem die
Einspritzung unmittelbar beim Anlaufen stattfindet, ist die
elektronische Einspritzung durch eine längere Anlaufzeit
gekennzeichnet, was für den Stromverbrauch des Anlassers
und für den Konfort des Benutzers nachteilig ist.
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Um diesen Fehler zu beseitigen, ist es im Fall von
Benzinmotoren möglich, die Einspritzung unter Anlasser pro
Zylindergruppen vorzunehmen und dann nach dem Anlassen auf
sequentielle Einspritzung überzugehen.
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Diese Methode kann dagegen nicht auf Motoren mit
Direkteinspritzung angewandt werden.
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Der zweite Nachteil besteht darin, daß die Erfassung keinen
Hilfsbetriebsmodus in dem Fall gestattet, in dem die
Erfassung der Winkelstellung der Kurbelwelle des Motors
fehlerhaft ist.
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Aus diesem Grund wurden Ortungsobjektformen mit mehreren
Singularitäten vorgesehen, wie es in den oben genannten
Schriften beschrieben wird.
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Die in diesen Schriften beschriebenen Vorrichtungen
besitzen jedoch einen komplexen Aufbau.
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Ferner kennt man aus der Schrift US-A-4 284 052 eine
Erfassungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei dieser Vorrichtung wird die Erfassung des Zyklus durch
Zählen der Anzahl von jedem Zylinder zugeordneten Zähnen
vorgenommen.
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Dies hat natürlich eine gewisse Anzahl von Nachteilen, und
zwar insbesondere hinsichtlich der Abmessungen dieser Zähne
und der Gefahr von Zählfehlern.
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Ziel der Erfindung ist es, die im vorstehenden angeführten
Probleme zu lösen.
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Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung eine
Vorrichtung zur Erfassung des Arbeitszyklus eines Mehrzylinder-
Verbrennungsmotors, die ein mit Mitteln zur Kodierung der
Winkelstellung des Motors im Zyklus versehenes
Ortungsobjekt aufweist, das mit einer Nockenwelle des Motors
verbunden ist und dem ein Fühler zur Erfassung der
Stellungskodiermittel bei der Drehung des Ortungsobjekts zugeordnet
ist, der mit Mitteln zur Erfassung des Arbeitszyklus des
Motors durch Analyse des Ausgangssignals des Fühlers
verbunden ist, wobei die Kodiermittel des Ortungsobjekts
mindestens Binärkodes zur Identifizierung der Nummern der
Zylinder des Motors umfassen, die jeweils aus einem
Synchronisationskode, Kodes zur Identifizierung der Nummer des
entsprechenden Zylinders und einem Kodierungsendkode
bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodiermittel des
Ortungsobjekts außerdem für jeden Zylinder des Motors einen
Paritätskode aufweisen, der die Fehlererfassung gestattet.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet also die
Erfassung des Arbeitszyklus des Motors ausgehend von einem
Ortungsobjekt besonderer Form, wodurch man den oben erwähnten
Nachteilen entgeht.
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Diese Vorrichtung erfordert nur einen Fühler und gestattet
die Erfassung der Arbeitsphase des Motors unter Anlasser
beispielsweise im Fall eines Vierzylindermotors nach einer
Dreiviertelumdrehung der Kurbelwelle.
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Außerdem gestattet diese Vorrichtung, wie im nachstehenden
ausführlicher beschrieben wird, die Durchführung eines
Hilfsbetriebsmodus im Fall des Ausfalls des
Kurbelwellenfühlers, indem die Stellung der Nockenwelle vor den oberen
Totpunkten des Motors mit einer beeinträchtigten, jedoch
ausreichenden Genauigkeit geliefert wird.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt als Beispiel
eine Beschreibung, in der auf die beiliegende Zeichnung
Bezug genommen wird. Hierin zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Gesamtdarstellung, die den
allgemeinen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Erfassungsvorrichtung zeigt,
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Fig. 2 eine Tabelle, die die in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung verwendete binäre Kodierung zur
Identifizierung der Zylindernummern eines
Vierzylindermotors veranschaulicht,
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Fig. 3 die Kodierung der Daten in einer erfindungsgemäßen
Erfassungsvorrichtung,
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Fig. 4 ein Kodierungsbeispiel,
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Fig. 5 und 6 der Aufbau eines Teils von Analysemitteln in
einer erfindungsgemäßen Erfassungsvorrichtung,
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Fig. 7 und 8 Diagramme, die die Drehzahl und die
Beschleunigung eines Motors zeigen, und
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Fig. 9 und 10 zwei Ausführungsbeispiele eines
Ortungsobjekts
für eine erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung.
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Wie Fig. 1 zeigt, besitzt eine Vorrichtung zur Erfassung
des Arbeitszyklus eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors,
der in dieser Figur mit der allgemeinen Bezugszahl 1
bezeichnete ist, auf bekannte Weise ein mit der allgemeinen
Bezugszahl 2 bezeichnetes Ortungsobjekt, das mit Mitteln
zum Kodieren der Winkelstellung des Motors im Zyklus
versehen ist und mit einer Nockenwelle des Motors verbunden ist
und dem ein Fühler 3 zum Erfassen der
Stellungskodierungsmittel bei der Drehung des Ortungsobjekts zugeordnet ist.
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Dieser Fühler 3 ist mit Mitteln 4 zur Erfassung des
Arbeitszyklus des Motors durch Analyse des Ausgangssignals
des Fühlers verbunden.
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Erfindungsgemäß umfassen die Kodierungsmittel des
Ortungsobjekts 2 mindestens Binärkodes (Bits) zur Identifizierung
der Nummern der Zylinder des Motors.
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Diese Technik der binären Datenkodierung ist im Stand der
Technik beispielsweise für die Aufzeichnung von Daten auf
einer magnetischen Bahn bereits bekannt.
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Die Information der Nummer des entsprechenden Zylinders
wird beispielsweise im Fall eines Motors mit vier Zylindern
binär auf zwei Bits kodiert.
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Da jedoch kein Fehler geduldet werden kann, ist es
erforderlich, diesem Identifizierungskode einen Paritätskode
(ein Paritätsbit) hinzuzufügen.
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Es müssen also bei der Lesung mindestens zwei fehlerhafte
Kodes auftreten, damit die Nummer des entsprechenden
Zylinders für eine andere Nummer gehalten wird.
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Ein Beispiel der Kodierung für einen Vierzylindermotor ist
in der Tabelle von Fig. 2 angegeben, in der man sieht, daß
die vier Zylinder des Motors mit 00, 01, 10 bzw. 11 kodiert
sind.
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Diese Kodierung kann jedoch infolge der Drehzahländerungen
des Motors und des Fehlens eines Synchronisationszeitgebers
nicht direkt auf das Ortungsobjekt angewandt werden. Es muß
deshalb eine Kodierung verwendet werden, die eine
Wiedergabe des Abtastzeitgebers gestattet.
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Wie in den Fig. 3 und 4 zu sehen ist, ist jeder Kodeteil,
d. h. beispielsweise jedes Bit, auf einem Zeitabschnitt T
kodiert, der durch Zustandsänderungen abgegrenzt ist. Ein
logischer Zustand 0 ist durch einen Zustand gekennzeichnet,
der während des Zeitabschnitts T konstant ist, während ein
logischer Zustand 1 durch eine Zustandsänderung bei T/2
gekennzeichnet, wie aus diesen Figuren hervorgeht.
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Die Dekodierung dieser Informationen durch die
Analysemittel besteht nun darin, daß der Zustand nach dem Übergang
bei Beginn des Bits und der Zustand nach 3T/4 verglichen
werden, wie aus den Fig. 5 und 6 hervorgeht.
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Um sich von den Drehzahländerungen des Motors freizumachen,
entspricht der Bezugszeitabschnitt T, der zum Dekodieren
eines Bits n verwendet wird, dem auf dem vorhergehenden Bit
gemessenen Zeitabschnitt Tn-1.
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Damit also ein Fehler auftreten kann, d. h. beispielsweise
damit man eine 1 für eine 0 halten kann oder umgekehrt, muß
eine solche absolute Beschleunigung der Drehzahl auftreten,
daß T < 3Tn-1/4 oder T > 3Tn-1/2, d. h. bei einem für die
Kodierung eines Bits genommenen Winkel α eine maximal
zulässige Beschleunigung ohne Fehler von:
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dω/dt max = ωmin²/3α
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Unter Anlasser ist die momentane Drehzahl des Motors sehr
veränderlich und ihre Beschleunigung hängt von dessen
Winkelstellung zwischen den oberen Totpunkten ab.
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Diese Drehzahl und diese Beschleunigung können partiell
linearisiert werden, wie es in den Fig. 7 und 8 dargestellt
ist.
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Angesichts dieser Betriebsbedingungen gilt:
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dω/dtmax = 5000 U/min.s und ωmin = 150 U/min ==> αmax = 4,5ºNw
(Nockenwelle).
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Diese Auflösung verlangt natürlich einen äußerst genauen
Fühler oder die Herstellung eines sehr schwierigen
Ortungsobjekts, da sein Durchmesser durch die Montage auf der
Nockenwelle auf etwa 100 mm begrenzt wird.
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Aufgrund dieser Beschränkungen ist diese Lösung kostspielig
und industriell schwierig durchzuführen.
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Wenn man dagegen die kodierte Information in den
Winkelsektoren konzentriert, in denen die Drehzahl des Motors sich
verlangsamt, sind die Arbeitsbedingungen des Fühlers
weniger streng und kann die Auflösung schwächer sein, d. h.:
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dω/dtmax = 1500 U/min.s und ωmin = 150 U/min = = > αmax = 15ºNw
(Nockenwelle).
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Die Kodiermittel umfassen hierbei beispielsweise drei Bits,
um jedoch eine gute Dekodierung des ersten Bits zu
gewährleisten, ist es vorzuziehen, diesem einen
Synchronisationskode (ein Synchronisierungsbit) beispielsweise im logischen
Zustand 0 vorhergehen zu lassen, der die
Bezugszeitabschnitt T liefert.
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Ebenso folgt auf den Paritätskode (Paritätsbit) ein
Stopkode (Stopbit) 1, der das Ende der Kodierung angibt und
dessen Ende mit dem oberen Totpunkt des entsprechenden
Zylinders in Phase ist. So endet die Dekodierung der Nummer
eines Zylinders mit einer Voreilung von 12ºNw (Nockenwelle)
oder 24ºKw (Kurbelwelle) vor dem oberen Totpunkt.
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Bei Ausfall der Drehzahlfunktion gestatten es die Übergänge
zwischen den Kodierbits, die Stellung der Kurbewelle vor
dem oberen Totpunkt mit einer beeinträchtigten Genauigkeit
zu kennen, und zwar aufgrund der Winkelabtastung von 24ºKw
(Kurbelwelle).
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Die Gruppe von fünf Kodes (Bits), d. h. Synchronisation,
Kodierung der Zylindernummer, Parität und Ende, nimmt
beispielsweise einen Winkelsektor von 60º ein, der in einem
Bereich liegt, in dem die Beschleunigung der Motordrehzahl
negativ oder vermindert ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Ortungsobjekts 2 ist in den
Fig. 9 und 10 dargestellt.
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Fig. 9 zeigt ein Ortungsobjekt 2 in Form einer
Metallscheibe.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die den Zylindern C1,
C2, C3 und C4 zugeordneten Kodiermittel von einer Folge von
metallischen Abschnitten und Lücken des Ortungsobjekts
gebildet und haben beispielsweise die Form von Zähnen, die am
Umfang des Ortungsobjekts vorgesehen sind.
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Durch den Durchgang dieser Folge von Zähnen vor dem Fühler
3, der dabei auf das Vorhandensein eines ferromagnetischen
Körpers anspricht, wird ein elektrisches Signal gebildet,
das die Abwicklung des Ortungsobjekts 2 darstellt.
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Die oben beschriebene Analyse dieses Signal durch die
entsprechenden Mittel gestattet die Erfassung der Arbeitsphase
des Motors.
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Eine andere Ausführungsform des Ortungsobjekts 2 ist in
Fig. 10 dargestellt, in der der Umfang des Ortungsobjekts
aus einem sektorweise magnetisierten Plasto-Ferrit-Material
besteht. Die magnetische Polarisierung jedes Sektors
gestattet die Kodierung des Ortungsobjekts für die Zylinder
C1, C2, C3 und C4. Ein an seinem Umfang angeordneter Fühler
3, der auf das Magnetfeld anspricht, liefert dabei den
Analysemitteln ein entsprechendes Signal.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfassen die Mittel
zur Kodierung der Stellung des Ortungsobjekts Binärkodes
zur Identifizierung der Nummern der Zylinder des Motors,
wobei diesen Kodes ein Synchronisationskode, ein
Paritätskode und ein Kodierungsendkode zugeordnet sein können.
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Die Analysemittel 4 umfassen hierbei Mittel zum Erkennen
dieser Kodes durch Erfassung einer Zustandsänderung oder -
nichtänderung des Ausgangssignals des Fühlers 3 während
eines bestimmten Zeitabschnitts T, der der dem vorhergehenden
gelesenen Kode zugeordnete Kodierungszeitabschnitt Tn-1
sein kann.
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Wie oben beschrieben wurde, können diese Kodiermittel auf
dem Ortungsobjekt in Winkelstellungen angeordnet sein, die
einem Zeitabschnitt der Verlangsamung der Drehzahl des
Motors entsprechen.
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Obwohl das Ortungsobjekt bei den oben beschriebenen
Ausführungsbeispielen einem Vierzylindermotor zugeordnet ist,
kann die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung natürlich
auch auf einen Motor übertragen werden, der eine beliebige
Anzahl von Zylindern besitzt, wenn die Abmesssungen des
Ortungsobjekts und die Genauigkeit des Fühlers an dessen
Arbeitsbedingungen unter Anlasser korrekt angepaßt werden.
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Natürlich können verschiedene Ausführungsformen dieser
Vorrichtung und insbesondere des Ortungsobjekts vorgesehen
werden.