WO1992002724A2 - Process for converting heat into power using the stirling principle with internal combustion - Google Patents
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Definitions
- the starting niche for the new process is primarily engine power plants (combined heat and power plants) for environmentally friendly and decentralized heat and power coupling, which today operate almost exclusively according to the diesel or gas-Otto process.
- Fig. 2 (TS diagram) schematically shows the solution: An exhaust gas-air mixture goes through a cycle from state 1 to 2, 3,, 5, 6 to 1. A counter-current cooling brings the exhaust gas-air mixture from state 6 to state 1. Between 1 and 2, a fraction of the circulating gas quantity is removed and through the same amount of combustion air replaced.
- the exhaust air mixture is compressed, from 3 to - ⁇ from a heater. memory (regenerator) preheated.
- the heat accumulator (regenerator) is recharged from 5 to 6.
- valve cross sections are much too large or there is too much residual energy in the exhaust gas.
- the heat-power process according to the invention avoids these disadvantages in that counter-flow or cross-flow cooling with acceptable areas or temperature differences is placed before the adiabatic or polytropic compression from 2 to 3.
- the method includes a deliberate constant exhaust gas recirculation up to the ignition limit, so that the NOx content remains a minimum, with full utilization of the thermodynamic gradient.
- the proposed method is an ecological optimization of efficiency, exhaust gas analysis and noise.
- the noise level of the process is 0-50 decibels * without a sound insulation hood.
- the low-temperature heat still has the level of 60-90 degrees with approx. 40-50% energy which is interesting for heating purposes, the exhaust gas loss and the machine space losses are below 10%.
- the low final pressure at 7-8 bar is particularly interesting, so that the hot parts can be built with tolerable materials.
- a piston (1) with crank drive and usually without oil lubrication works in a cylinder (2). It compresses the enclosed air / exhaust gas mixture when going up.
- the displacer (3) shifts the compressed air / exhaust gas mixture via the check valve (4) and the regenerator (5) to the hot side of the system. On whether r ⁇ s exit from the regenerator is supplied to the fuel (gas or oil).
- the exhaust gas valve (11) is opened and with the air metering device (9) with inlet valve (12) a quantity of fresh combustion air precisely assigned to the fuel metering device (10) is inserted.
- FIGS. 1 and 2 TS diagram
- Fig.l shows in the arrow diagram a Stirling process with 100 ° C lower and 1200 ° C upper temperature.
- the oval curve is the real process that normally actually takes place.
- Such a process would have a relatively high degree of efficiency, but either extremely large heating surfaces, exotic working media, an extremely hot fire and / or very high filling pressures.
- thermodynamic optimum can be selected for every speed and desired power density. e.g. 10, 20 or 50 k temperature difference for the regenerator and not approx. 100 k as in the example.
- the relatively low combustion temperature also has a strong NOx-preventing effect.
- the NOx can be reduced to a minimum shortly before the CO increases.
- valves are also unproblematic in the cold area.
- This method can also be implemented with any number of cylinders, so that the flywheel weights and the non-uniformity of the movement improve with higher outputs.
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Abstract
Description
Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nachProcess for converting heat into power after
dem Stirling-Prinzip mit innerer Verbrennungthe Stirling principle with internal combustion
In den letzten 200 Jahren wurden zahlreiche Wärme-Kraft¬ verfahren mit innerer und äußerer Verbrennung entwickelt, erprobt und gebaut.In the past 200 years, numerous thermal power processes with internal and external combustion have been developed, tested and built.
Die Mehrzahl der Verfahren beruht auf einer ständigen Verbesserung des Leistungsgewichtes und des Preis- Leistungsverhältnisses.The majority of the processes are based on a constant improvement in the performance-weight ratio and the price-performance ratio.
Im Rahmen der aktuellen Umweltdiskussion ist diese ein¬ dimensionale Entwicklungsrichtung nicht mehr ausreichend. Ein zeitgemäßes und zukunftsorientiertes Wärme-Kraftver- fahrε/ι muß folgende Eigenschaften haben: leise, hoher thermodynamischer Wirkungsgrad, gute Abgasanalyse, mö¬ glichst ohne ständigen Ölwechsel, bescheidene Drücke, keine exotischen Werkstoffe, geeignet für Wärme-Kraft- Kopplung, lange Lebensdauer, einfache Wartung.In the context of the current environmental discussion, this one-dimensional direction of development is no longer sufficient. A modern and future-oriented thermal power process must have the following properties: quiet, high thermodynamic efficiency, good exhaust gas analysis, if possible without constant oil changes, modest pressures, no exotic materials, suitable for combined heat and power, long service life, easy maintenance.
Nach dem heutigen Stand der Technik schließen sich zu¬ nächst ein Teil dieser Parameter aus. Lange Zeit erhoffte sich die Fachwelt vom Stirling- Prinzip den entscheidenen Durchbruch. Aber Fig.l (TS-Diagra m) zeigt das entscheidende Handi¬ cap des Stirling-Verfahrens.According to the current state of the art, some of these parameters are initially mutually exclusive. For a long time, experts hoped for the decisive breakthrough from the Stirling principle. But Fig.l (TS-Diagra m) shows the crucial handicap of the Stirling process.
Man muß mit der gesamten Heizleistung bei hohem Druck und hoher Temperatur durch eine Metallwand. Insofern ist das Diesel-^oder Otto-Prinzip mit der Explosion des Brennstoffs* direkt über dem Kolben thermo- dynamisch intelligent"".You have to run through a metal wall with the entire heating power at high pressure and high temperature. In this respect, the diesel ^ or Otto principle with the explosion of the fuel * directly above the piston "thermodynamically intelligent".
Andererseits sprechen bessere Ab^asanalyse, niedriges Geräusch und denkbarer Grenzwirkungsgrad eindeutig für das Stirling-Prinzip. Zur Verdeutlichung:On the other hand, better exhaust analysis, low noise and conceivable limit efficiency clearly speak for the Stirling principle. For clarification:
Als Startnische des neuen Verfahrens ist in erster Linie an Motorkraftwerke (Blockheizkraftwerke) zur umweltfreund¬ lichen und dezentralen Wärme-Kraft-Kopplung gedacht, die heute fast ausschließlich nach dem Diesel- oder Gas-Otto- Verfahren arbeiten.The starting niche for the new process is primarily engine power plants (combined heat and power plants) for environmentally friendly and decentralized heat and power coupling, which today operate almost exclusively according to the diesel or gas-Otto process.
Der hohe Lärmpegel der Explosion des Brennstoffs erfordert aufwendige Schallschutzmaßnahmen, die ihrerseits wieder die Wartung und Entwärmung erschweren. Weiterhin muß in regelmäßigen und kurzen Abständen eine gründliche Wartung und laufender Ölwechsel mit Dioxin¬ problemen beim Altölrecycling akzeptiert werden.The high level of noise caused by the explosion of the fuel requires extensive noise protection measures, which in turn make maintenance and cooling more difficult. Furthermore, thorough maintenance and regular oil changes with dioxin problems in the recycling of used oils must be accepted at regular and short intervals.
Dazu kommen beachtliche Korrosions- und Werkstoffprobleme beim Abgaswärmetauscher, die Abgasanalyse ist mit und ohne Katalysator erschreckend.In addition, there are considerable corrosion and material problems with the exhaust gas heat exchanger, the exhaust gas analysis is terrifying with and without a catalytic converter.
Als aussichtsreiche Kompromißlösung wurden nun von einigen Forschern wie Naotsugu Isshiki, Shinji Moriya, fktβs, Paveletic und Miwa die Vorteile der inneren Verbrennung mit den Vorteilen des Stirling-Verfahrens verbunden. Kurz "ICSE" (Internal Combustion Stirling Engine) Verfahren genannt.As a promising compromise solution, some researchers such as Naotsugu Isshiki, Shinji Moriya, fktβs, Paveletic and Miwa have now combined the advantages of internal combustion with the advantages of the Stirling process. Briefly called "ICSE" (Internal Combustion Stirling Engine) procedure.
Die Ergebnisse sind bisher enttäuschend, sie sollen durch das im Folgenden "beschriebene neue Verfahren entscheidend verbessert werden.The results have so far been disappointing, they should be significantly improved by the process described as the "new method.
Fig. 2 (TS-Diagramm) zeigt schematisch die Lösung: Ein Abgas-Luftgemisch durchläuft einen Kreisprozeß vom Zustand 1 über 2, 3, , 5, 6 nach 1. Eine Gegenstromkühlung bringt das Abgas-Luftgemisch von Zustand 6 auf Zustand 1. Zwischen 1 und 2 wird ein Bruchteil der umlaufenden Gasmenge entfernt und durch die gleiche Menge Verbren¬ nungsluft ersetzt.Fig. 2 (TS diagram) schematically shows the solution: An exhaust gas-air mixture goes through a cycle from state 1 to 2, 3,, 5, 6 to 1. A counter-current cooling brings the exhaust gas-air mixture from state 6 to state 1. Between 1 and 2, a fraction of the circulating gas quantity is removed and through the same amount of combustion air replaced.
Von 2 nach 3 wird das Abga .uftgemisch komprimiert, von 3 nach -\ aus einem Wärn. speicher (Regenerator) vorgewärmt.From 2 to 3 the exhaust air mixture is compressed, from 3 to - \ from a heater. memory (regenerator) preheated.
Von -\ nach 5 erfolgt die Brennstoffzugabe und Verbren¬ nung bei Arbeitsleistung und Expansion.From - \ to 5, the fuel is added and burned during work performance and expansion.
Von 5 nach 6 wird der Wärmespeicher (Regenerator) wieder aufgeladen.The heat accumulator (regenerator) is recharged from 5 to 6.
Dann beginnt der Zyklus von vorne.Then the cycle starts again.
Die bisher bekannt gewordenon Verfahren zur Umwandlung von Wärme in Kraft nach de,.. Jtirling-Prinzip mit innerer Verbrennung haben den Nachteil, daß versucht wurde, von 6 nach 3 isotherm zu komprimieren, im Grenzfall also unendlich langsam bzw. mit unendlich großer Tauschfläche.The previously known geworde no n A process for the conversion of heat into force after de .. Jtirling principle with internal combustion have the drawback that an attempt was made to compress from 6 to 3 isothermally, at the limit, large infinitely slowly, or with infinitely Exchange area.
Weiterhin arbeiten die meisten Verfahren mit stöchio- metrischeπ Luftmengen oder kleinen Luftüberschußzahlen.Furthermore, most processes work with stoichiometric air quantities or small excess air numbers.
Die Folge sind extrem Hohe Endtemperaturen, die exo¬ tische Werkstoffe erfordern und beim NOx eine "schmutzige" Abgasaπalyse.The result is extremely high end temperatures, which require exotic materials, and a "dirty" exhaust gas analysis for NOx.
Will man andererseits mit mehrfachem Luftüberschuß zwischen 1 und 2 und der ganzen Reaktionsgasmenge ein- und austreten, so ergeben sich viel zu große Ventilquer¬ schnitte bzw. steckt im Abgas zuviel Restenergie. Das erfindungsgemäße Wärme-Kraft-Verfahreπ vermeidet diese Nachteile, indem vor der adiabatischen oder polytropen Kompression von 2 nach 3 eine Gegen- oder Querstromkühlung mit akzeptablen Flächen bzw. Temperaturdifferenzen ge¬ legt wird.On the other hand, if one wants to enter and exit with a multiple excess of air between 1 and 2 and the entire amount of reaction gas, the valve cross sections are much too large or there is too much residual energy in the exhaust gas. The heat-power process according to the invention avoids these disadvantages in that counter-flow or cross-flow cooling with acceptable areas or temperature differences is placed before the adiabatic or polytropic compression from 2 to 3.
Dann ist der C02 - Gehalt der Abgase extrem hoch, die Abgastemperatur niedrig und damit der Abgasverlust eben¬ falls sehr klein.Then the C0 2 content of the exhaust gases is extremely high, the exhaust gas temperature is low and thus the exhaust gas loss is also very small.
Das Verfahren beinhaltet eine gewollte ständige Abgas¬ rückführung bis an die Zündgrenze, sodaß der NOx-Gehalt ein Minimum bleibt, bei voller Ausnützung des ther o- dynamischen Gefälles.The method includes a deliberate constant exhaust gas recirculation up to the ignition limit, so that the NOx content remains a minimum, with full utilization of the thermodynamic gradient.
Das vorgeschlagene Verfahren ist eine ökologische Opti¬ mierung von Wirkungsgrad, Abgasanalyse und Geräusch.The proposed method is an ecological optimization of efficiency, exhaust gas analysis and noise.
Setzt man zur Verdeutlichung für ein Abgas-Luftgemisch mit Erdgas (oder Heizöl) konkrete Zahlenwerte ein, mit im Mittel z.B. 100° C unterer und 1200° C oberer Tem - peratur, so lassen sich bei richtigen Drehzahlen und Brennraumgeometrien 40-50% praktischer ther odynamischer Wirkungsgrad, CO-Werte von 0-10 ppm und NOx-Werte von 150 ppm ohne Katalysator erreichen.To clarify, use a concrete numerical value for an exhaust gas-air mixture with natural gas (or heating oil), with on average e.g. 100 ° C lower and 1200 ° C upper temperature, 40-50% practical thermodynamic efficiency, CO values of 0-10 ppm and NOx values of 150 ppm can be achieved without catalyst at the correct speeds and combustion chamber geometries.
Der Geräuschpegel des Verfahrens liegt ohne Schalldämm¬ haube bei 0-50 Dezibel*.The noise level of the process is 0-50 decibels * without a sound insulation hood.
Die Niedertemperaturwärme hat dabei noch das für Heiz¬ zwecke interessante Niveau von 60-90 Grad mit ca.40-50% Energie, der Abgasverlust und die Maschiπeπraumverluste liegen unter 10%. Besonders interessant ist auch der niedrige Enddruck bei 7-8 bar, sodaß die heißen Teile mit erträglichen Werkstoffen gebaut werden können.The low-temperature heat still has the level of 60-90 degrees with approx. 40-50% energy which is interesting for heating purposes, the exhaust gas loss and the machine space losses are below 10%. The low final pressure at 7-8 bar is particularly interesting, so that the hot parts can be built with tolerable materials.
Zur Erläuterung der praktischen Realisierung des nach Fig. 2 beschriebenen Verfahrens , dient Fig. :The following is used to explain the practical implementation of the method described in FIG. 2:
Ein Kolben (1) mit Kurbelantrieb und in der Regel ohne ölschmierung, arbeitet in einem Zylinder (2). Er komprimiert beim Hochgehen das eingeschlossene Luft/ Abgasgemisch.A piston (1) with crank drive and usually without oil lubrication works in a cylinder (2). It compresses the enclosed air / exhaust gas mixture when going up.
Dann verschiebt der Verdränger (3) das komprimierte Luft/ Abgasgemisch über die Rückschlagorgange (4) und den Regenerator (5) auf die heiße Seite der Anlage. Am obr~en Austritt aus dem Regenerator wird der Brennstoff (Gas oder öl) zugeführt.Then the displacer (3) shifts the compressed air / exhaust gas mixture via the check valve (4) and the regenerator (5) to the hot side of the system. On whether r ~ s exit from the regenerator is supplied to the fuel (gas or oil).
Nun bewegen sich Verdränger (3) und Kolben (1) gleich¬ sinnig abwärts und setzen die Expansionsarbeit in me¬ chanische Arbeitsleistung um.Now the displacer (3) and piston (1) move downwards in the same sense and convert the work of expansion into mechanical work.
Ist der Kolben (1) dann im unteren Totpunktbereich, wird der Verdränger (3) nach oben gefahren, das heiße Gas über den Regenerator (5) und den Kühler (6) in den Arbeitsraum verschoben. Darauf beginnt der Zyklus von vorne.If the piston (1) is then in the bottom dead center area, the displacer (3) is moved upwards, the hot gas is displaced into the work space via the regenerator (5) and the cooler (6). The cycle then begins again.
Zwischen dem Ende der letzten Verschiebung und dem Be¬ ginn der neuen Kompressionwirddas Abgasventil (11) geöffnet und mit der Luftdosiereinrichtung (9) mit Einlaßventil (12) eine genau der Brennstoffdosierein¬ richtung (10) zugeordnete Menge frische Verbrennungs¬ luft eingeschoben.Between the end of the last shift and the start of the new compression, the exhaust gas valve (11) is opened and with the air metering device (9) with inlet valve (12) a quantity of fresh combustion air precisely assigned to the fuel metering device (10) is inserted.
Zum Starten der Anlage kann über Heizeinrichtung (8) der heiße Teil der Anlage auf Zünd- und Arbeitstempe¬ ratur gebracht werden. Um die Vorteile der Erfindung klarer herauszuarbeiten, sind wie bereits erwähnt, in Fig.l und Fig.2 (TS-Dia- gramm) zu sehen.To start the system, the hot part of the system can be brought to ignition and working temperature via heating device (8). In order to work out the advantages of the invention more clearly, as already mentioned, can be seen in FIGS. 1 and 2 (TS diagram).
Fig.l zeigt im Pfeilschema einen Stirling-Prozeß mit 100° C unterer und 1200 ° C oberer Temperatur. Die ovale Kurve ist der dabei normalerweise tatsäch¬ lich ablaufende reale Prozeß.Fig.l shows in the arrow diagram a Stirling process with 100 ° C lower and 1200 ° C upper temperature. The oval curve is the real process that normally actually takes place.
Ein solcher Prozeß hätte einen relativ hohen Wirkungs¬ grad, aber entweder extrem große Heizflächen, exotische Arbeitsmedien, ein extrem heißes Feuer und/oder sehr hohe Fülldrücke.Such a process would have a relatively high degree of efficiency, but either extremely large heating surfaces, exotic working media, an extremely hot fire and / or very high filling pressures.
Fig.2 zeigt den angestrebten thermodynamischen Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens mit innerer Ver¬ brennung:2 shows the desired thermodynamic course of the method according to the invention with internal combustion:
Von Arbeitspunkt 2 mit z.B. 50° C und 1 bar Gaszustand, komprimieren bis Arbeitspunkt 3 (z.B. 120°C und 2 bar Druck).From working point 2 with e.g. 50 ° C and 1 bar gas condition, compress to operating point 3 (e.g. 120 ° C and 2 bar pressure).
Danach verschieben von 3 nach 4 (z.B.1200°C , dann ge¬ steuerte Verbrennung und Expansion mit Endpunkt 5 (z.B.1300°C) und durch verschieben nach 6 (z.B. ca.250°C).Then move from 3 to 4 (e.g. 1200 ° C, then controlled combustion and expansion with end point 5 (e.g. 1300 ° C) and move to 6 (e.g. approx. 250 ° C).
Je nach Wahl der Regeneratoroberflächen, Struktur, Druckverlust und Masse kann für jede Drehzahl und gewünschte Leistungsdichte das thermodynamische Optimum gewählt werden. z.B. 10, 20 oder 50 k Temperaturdifferenz für den Regenerator und nicht ca. 100 k wie im Beispiel.Depending on the choice of regenerator surfaces, structure, pressure loss and mass, the thermodynamic optimum can be selected for every speed and desired power density. e.g. 10, 20 or 50 k temperature difference for the regenerator and not approx. 100 k as in the example.
Die elementare Rechnung in der Größenordnung des Beispiels ergibt pro Zyklus ein Einspeisen und Aus¬ speisen von Luft und Abgas mit ca. 10% der Proze߬ gasmenge. Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens gegenüber dem reinen Diesel/Otto- oder reinen Stirling- Prinzip ergeben sich unmittelbar aus dem Prozeßverlauf _-,_The elementary calculation in the order of magnitude of the example results in a feed and discharge of air and exhaust gas with approximately 10% of the process gas quantity per cycle. The advantages of the described method compared to the pure diesel / Otto or pure Stirling principle result directly from the course of the process _-, _
- da die Verbrennung nur im heißen Teil stattfindet, gibt es keine Molekülbruchstücke und bei richtiger Di¬ mensionierung, nahezu völlige Verbrennung.- Since the combustion takes place only in the hot part, there are no molecular fragments and, with the correct dimensions, almost complete combustion.
- da in den heißen Teil keinerlei Schmierölreste gelangen können, entfällt das übliche Ölwechselproblem an Verbren¬ nungskraftmaschinen.- Since no lubricating oil residues can get into the hot part, the usual oil change problem on internal combustion engines is eliminated.
- je nach Wahl der pro Zyklus eingespeisten Frischluft, ergibt sich bis an die Grenze der Zündfähigkeit eine starke NOx-Uπterdrückung, eine ständige Abgasrückführung, da viele Moleküle den Kreisprozeß mehrfach durchlaufen.- Depending on the choice of fresh air fed in per cycle, there is a strong NOx suppression up to the limit of ignitability, a constant exhaust gas recirculation, since many molecules pass through the cycle several times.
Ebenfalls stark NOx-vermeidend wirkt die relativ niedrige Verbrennungstemperatur. Hier kann das NOx bis auf sein Minimum heruntergenommen werden, kurz bevor das CO an¬ steigt.The relatively low combustion temperature also has a strong NOx-preventing effect. Here the NOx can be reduced to a minimum shortly before the CO increases.
- durch das große Temperaturgefälle sind Wirkungsgrade von über 50% ander Welle erreichbar und das bei gleich¬ zeitig optimaler Abgasanalyse.- Due to the large temperature gradient, efficiencies of over 50% can be achieved on the other shaft, and this with optimum exhaust gas analysis at the same time.
- da der Arbeitskolben im kalten Bereich liegt, kann Trockenlauf bei Geradeführung und damit schmierölarmen oder schmierölfreien Betrieb konzipiert werden.- Since the working piston is in the cold area, dry running with straight guidance and thus low-oil or oil-free operation can be designed.
- die Ventile liegen ebenfalls unproblematisch im kalten Bereich.- The valves are also unproblematic in the cold area.
- weiterhin arbeiter der Prozeß außerordentlich leise, da keine Explosionen stattfinden.- The process continues to work extremely quietly since there are no explosions.
- der maximale Enddruck am Arbeitspunkt 4 ist im Beispiel sehr bescheiden, insofern werden an die Werkstoff erheb¬ blich geringere Anforderungen als beim reinen Stiriing, Diesel oder Otto-Prozeß gestellt. - Der Preis für die vielen Vorteile ist mit einer mäßigen Drehzahl, einem relativ großen Hubvolumen pro kW und einem relativ hohen Leistungsgewicht zu bezahlen- The maximum final pressure at operating point 4 is very modest in the example, so the requirements on the material are considerably lower than in the case of pure stirring, diesel or Otto processes. - The price for the many advantages is to be paid with a moderate speed, a relatively large displacement per kW and a relatively high power to weight ratio
Der bereits amtlich in allen Statistiken dokumentierte Umweltnotstand rechtfertigt und begründet den nötigen Auf¬ wand.The environmental emergency, which is already officially documented in all statistics, justifies and justifies the necessary effort.
Das vor uns liegende ökologische Zeitalter erfordert völlig neue Konstruktionsprinzipien.The ecological age ahead requires completely new construction principles.
Da der Hauptverwendungszweck zunächst einmal stationäre Systeme vorsieht, spielt das höhere Leistungsgewicht der Maschine keine entscheidende Rolle.Since the main purpose of use is initially stationary systems, the higher power-to-weight ratio of the machine is not critical.
Es sind aber auch leichte schneilaufende Systeme nach dem neuen Prinzip zu realisieren, allerdings sinkt die Güte der Verbrennung mit steigender Drehzahl.However, light snow-running systems based on the new principle can also be implemented, however the quality of combustion decreases with increasing speed.
Dies Verfahren kann auch mit einer beliebigen Zahl von Zylindern realisiert werden, sodaß sich bei größeren Leistungen die Schwungradgewichte und die Ungleich- för igkeit der Bewegung verbessern. This method can also be implemented with any number of cylinders, so that the flywheel weights and the non-uniformity of the movement improve with higher outputs.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): CA JP US |
|
| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A2 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE |
|
| AK | Designated states |
Kind code of ref document: A3 Designated state(s): CA JP US |
|
| AL | Designated countries for regional patents |
Kind code of ref document: A3 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: CA |