用于运行内燃发动机的方法和气体燃料喷射单元与流程

1.本发明涉及一种用于以气体燃料模式运行设置为中速燃气发动机或双燃料发动机的内燃发动机的方法。此外，本发明涉及一种用于内燃发动机的气体燃料喷射单元，所述内燃发动机在以气体燃料模式运行时设置为中速燃气发动机或双燃料发动机，本发明还涉及一种装备有这种气体燃料喷射单元的内燃发动机。


背景技术：

2.为了在相对低的排放水平下运行船舶，中速燃气发动机的使用是已知的。此外，作为双燃料发动机运行的往复式内燃发动机的使用是已知的，其可以在气体以及液体燃料上运行。典型地，这样的发动机可以在如ep 2706214a1中描述的气体燃料模式和液体燃料模式下运行。
3.在气体燃料模式中，已知的双燃料发动机被设计成主要燃烧气体燃料，例如天然气，但通常用小百分比的液体燃料，例如柴油作为引燃燃料来开始点火。通过这样做，发动机可以基于燃烧过程来运行，该燃烧过程是狄塞尔(diesel)循环和奥托(otto)循环之间的交叉。更具体地，在已知的双燃料发动机的气体燃料模式中，燃气-空气混合物在进气冲程期间经由进气阀被送至发动机的汽缸，然后在压缩冲程期间被压缩，其中在压缩冲程的顶部，引燃燃料被喷射并自发地点燃，由此点燃燃气-空气混合物以产生动力膨胀。
4.相反，在液体燃料模式中，液体燃料，例如柴油燃料，在燃烧中作为唯一的燃料(即能量源)供应到发动机汽缸中。在这种模式下，发动机通常根据狄塞尔循环运行，其中液体燃料可以直接喷射到燃烧室中。
5.双燃料发动机的优点在于它们提供了一定程度的燃料灵活性，从而增加了能量供应的安全性。此外，当在气体燃料模式下运行时，双燃料发动机通常可确保低排放水平。因此，双燃料发动机越来越多地用于船舶中，即作为主发动机或辅助发动机，以便满足imo(国际海事组织)iii要求。
6.已知的双燃料发动机通常这样运行，即在进气冲程开始时，用少量的燃气-空气混合物冲洗汽缸。这样，汽缸被冷却以防止燃烧室经受过高的燃烧温度，该过高的燃烧温度例如可能导致发动机废气中氮氧化物的量增加。
7.为了用燃气-空气混合物冲洗汽缸，汽缸的入口阀和出口阀通常在进气冲程期间保持打开一段时间。然而，通过这样做，存在于燃气-空气混合物中的少量气体燃料在燃烧之前从汽缸中排出，从而释放到周围环境中。结果，发动机可以在其运行期间排出温室气体。在内燃发动机的上下文中，未燃烧的燃料从汽缸中排出通常也称为
″
燃料泄漏
″
。
8.由于环境可持续性正变得重要，最新的发展目标在于进一步提高效率和减少这种发动机的污染物排放，即温室气体排放。


技术实现要素：

9.因此，本发明的目的是提供一种方法和气体燃料喷射单元，其能够以更有效的方
式，即更环保地运行作为中速燃气发动机或双燃料发动机提供的内燃发动机。为此，本发明的目的是提供一种作为中速燃气发动机或双燃料发动机提供的内燃发动机，其配备有这种气体燃料喷射单元。
10.这些目的通过如独立权利要求中限定的方法，气体燃料喷射单元和配备有这种气体燃料喷射单元的内燃发动机来解决。在本说明书、附图以及从属权利要求中阐述了优选实施例。
11.因此，提供了一种用于在气体燃料模式下运行被提供为中速燃气发动机或双燃料发动机的内燃发动机的方法。该方法包括以下步骤：以低于发动机的压缩端压力的最大喷射压力将气体燃料直接喷射到发动机的燃烧室中。
12.此外，提供了一种在内燃发动机中使用的气体燃料喷射单元，所述内燃发动机在以气体燃料模式运行时设置为中速燃气发动机或双燃料发动机。气体燃料喷射单元包括气体燃料喷射阀和气体燃料进给单元，气体燃料喷射阀配置成将气体燃料直接喷射到发动机的燃烧室中，气体燃料进给单元配置成以低于发动机的压缩端压力的最大喷射压力将加压气体燃料供应到气体燃料喷射阀。
13.为此，提供了配备有这种气体燃料喷射单元的作为中速燃气发动机或作为双燃料发动机的内燃发动机。
附图说明
14.当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述将更容易地理解本发明，在附图中：
15.图1示出了配备有气体燃料喷射单元的内燃发动机的示意图；
16.图2示出了根据第一实施例的发动机的汽缸盖的示意性纵向截面图；
17.图3示出了根据第二实施例的发动机的汽缸盖的示意性纵向截面图；以及
18.图4示出了说明在发动机汽缸的发动机循环期间的喷射事件的图。
具体实施方式
19.在下文中，将参考附图更详细地解释本发明，其中相同的元件由相同的附图标记表示，并且可以省略其重复描述以避免冗余。
20.图1示意性地示出了往复式内燃发动机10，在下文中也称为
″
发动机
″
，其可作为主发动机或辅助发动机安装在诸如船舶的车辆中，或者可用于发电厂中。在所示配置中，发动机10设置为双燃料发动机。在本发明的上下文中，术语
″
双燃料发动机
″
指的是设计为以气体燃料和液体燃料两者运行的往复式内燃发动机。
21.术语
″
气体燃料
″
是指气态燃料，即其在普通条件下处于气态。气体燃料可以包括可燃烃气体，例如甲烷、丙烷、丁烷或其混合物。例如，气体燃料可作为液化石油气、天然气、沼气或可用作气态燃料的任何其它合适的气体提供。在发动机10中，气体燃料可以以压缩和液化状态被处理或存储。
22.术语
″
液体燃料
″
是指在普通条件下处于液态的燃料。液体燃料可以作为柴油、生物柴油、燃料油(例如重燃料油)或可用作发动机10中的液体燃料的任何其它燃料提供。
23.发动机10配置成以气体燃料模式和液体燃料模式运行。具体地，在气体燃料模式中，发动机10设计成主要燃烧气体燃料，但优选地使用少量或百分比的液体燃料作为引燃
燃料以开始点火。在液体燃料模式中，发动机10设计成仅燃烧液体燃料以产生动力膨胀。
24.下面，说明发动机10的结构配置。发动机10包括至少一个、优选地多个汽缸12，例如八个、十二个或十八个汽缸，这些汽缸可以被安排成直列式构型，v形构型或任何其他已知的汽缸构型。每个汽缸12设置有由容纳在汽缸12中的活塞16限定的燃烧室14。活塞16配置成在汽缸12内往复运动和轴向运动，并通过连杆20连接到发动机10的曲轴18。汽缸12由进一步界定燃烧室14的汽缸盖22覆盖。
25.发动机10还包括控制发动机10及其部件的致动的控制装置(未示出)。具体地，控制装置配置成用于控制所需的燃料-空气混合物向燃烧室14中的供应。在所示的这种构型中，通过在燃烧室14内混合燃料介质(即气体燃料和/或液体燃料)与进气(即充入的进气)来提供燃料-空气混合物。此外，控制装置配置成控制燃烧室14内供应的燃料-空气混合物的点火，以便产生高温和高压气体，该气体向活塞16施加力并因此轴向移动活塞，从而使曲轴18旋转。为此，控制装置配置成用于在燃烧发生之后控制燃烧气体从燃烧室14的排出。
26.更具体地，为了在运行期间控制汽缸12内的上述气体交换和燃烧，发动机10包括增压空气供应单元24、液体燃料喷射单元26、排气排出单元28和气体燃料喷射单元30。
27.至于物质，增压空气供应单元24配置成用于将增压空气引导到燃烧室14中。因此，增压空气供应单元24包括用于提供增压进气的增压空气进给单元32，增压进气经由增压空气管线36被引导通过进气阀34。进气阀34通向燃烧室14，并且配置成调节进入其中的增压空气的供应。增压空气进给单元32可以包括至少一个涡轮增压器单元，该涡轮增压器单元配置成用于加压并且由此充入被引导穿过其中的进气空气，即来自发动机10外部的新鲜空气，该新鲜空气然后被进给到增压空气管线36中。
28.液体燃料喷射单元26配置成将液体燃料喷射到燃烧室14中。为此，液体燃料喷射单元26包括液体燃料喷射阀38，液体燃料喷射阀配置成用于将液体燃料直接喷射到发动机10的燃烧室14中。液体燃料喷射单元26可进一步包括燃料泵，燃料泵配置成从存储容器或罐抽吸液体燃料并对由此接收的液体燃料加压，该液体燃料然后被引导至液体燃料喷射阀38。具体地，在发动机10的运行期间，供应到液体燃料喷射阀38的加压液体燃料可通过燃料泵升高到高于发动机10的压缩端压力的最小压力水平。
29.在本发明的上下文中，术语
″
压缩端压力
″
是指在点火开始之前，特别是紧接在点火开始之前燃烧室14中占主导的压力。更具体地，压缩端压力可以是指当汽缸12在运行期间位于其上止点时燃烧室14中占主导的压力。
30.废气排出单元28配置成用于从燃烧室14排出燃烧气体，即在燃料-空气混合物燃烧之后。为了控制燃烧气体的排出，设置有排气阀40，其可变地打开和关闭通向燃烧室14的排气管线42的孔。
31.发动机10及其部件，即控制装置、增压空气供应单元24、液体燃料喷射单元26和废气排出单元28的基本结构和基本运行模式是本领域技术人员公知的，因此不作进一步的说明。相反，发动机10(即，其气体燃料喷射单元30)的特征及其与本发明相关联的运行在下文中得到解决。
32.如上所述，发动机10包括配置成将加压气体燃料喷射到燃烧室14中的气体燃料喷射单元30。术语
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加压气体燃料
″
是指压缩或加压的液化气体燃料和/或压缩或加压的气态气体燃料。
33.具体地，气体燃料喷射单元30包括气体燃料喷射阀44，气体燃料喷射阀配置为将气体燃料直接喷射到发动机10的燃烧室14中。
34.在本发明的上下文中，表述
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将气体燃料直接喷射到燃烧室14中
″
意味着气体燃料在与增压空气或进气混合之前被喷射到燃烧室14中。换言之，在所提出的构型中，气体燃料在被供应到燃烧室14中之前不与空气预混合，例如在单独的进气口中。为此，气体燃料喷射阀44布置成使得其通向燃烧室14，如从图1中可见。
35.通过建议配置成将气体燃料直接喷射到其燃烧室14中的发动机10，可以更精确地控制气体燃料到燃烧室14中的供应以及由此的进气变化和燃烧，这允许以更有效的方式运行发动机10。
36.气体燃料喷射单元30进一步包括气体燃料进给单元46，气体燃料进给单元配置为将加压气体燃料供给到气体燃料喷射阀44。具体地，如下文将更详细地阐述的，气体燃料进给单元46配置成以低于发动机10的压缩端压力的最大喷射压力将加压气体燃料供应至气体燃料喷射阀44。
37.在本发明的上下文中，术语
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喷射压力
″
是指当加压气体燃料从气体燃料喷射阀44排放到燃烧室14中时在加压气体燃料中占主导的压力。
38.此外，为了能够将气体燃料喷射到燃烧室14中，加压气体燃料具有喷射压力，即最大喷射压力，其大于当借助于气体燃料喷射阀44喷射到燃烧室14中时在燃烧室14中占主导的实际压力。换句话说，在气体燃料的喷射事件期间，当从气体燃料喷射阀44排出时，加压气体燃料的喷射压力大于燃烧室14中占主导的压力。
39.为了提供加压气体燃料，气体燃料进给单元46可包括气体压缩机或泵(未示出)，用于加压待供给到气体燃料喷射阀44的气体燃料。具体地，气体压缩机或泵可以是能够从存储罐吸入气体燃料并在高压下将由此接收的气体燃料通过气体燃料管线48泵送到气体燃料喷射阀44的任何类型。气体压缩机或泵可进一步配置成由发动机10或电动机驱动。因此，气体燃料进给单元46可进一步包括气体燃料存储罐(未示出)，气体燃料存储罐配置成存储可流体连通地连接到气体压缩机或泵的液化状态的气体燃料。例如，气体燃料存储罐可配置成在大约2巴到16巴的存储压力下存储气体燃料。
40.图2示意性地示出了根据第一实施例的发动机汽缸盖22的纵向截面图。如上所述，气体燃料喷射阀44布置成使得其通向燃烧室14。为此，在所示构型中，气体燃料喷射阀44集成在汽缸盖22中。具体地，如图2所示，气体燃料喷射阀44在燃烧室14的横向区域打开，更具体地在燃烧室14的横向顶部区域打开。换言之，气体燃料喷射阀44横向布置在限定燃烧室14的汽缸盖22的部分49内。
41.图3示意性地示出了根据第二实施例的发动机汽缸盖22的纵向截面图。与图2所示的实施例相比，气体燃料喷射阀44集成在汽缸盖22中，使得其在燃烧室14的中心区域处，更具体地在燃烧室14的中心顶部区域处通向燃烧室14。换言之，气体燃料喷射阀44居中地布置在限定燃烧室14的汽缸盖22的部分49内。在所示构型中，气体燃料喷射阀44与液体燃料喷射阀38分开设置。具体地，如图3所示，气体燃料喷射阀44邻近液体燃料喷射阀38布置。可替代地，气体燃料喷射阀44和液体燃料喷射阀38可以组合，使得气体燃料和液体燃料可以经由设置在汽缸盖22中的相同的阀开口或孔喷射到燃烧室14中。在这种构型中，阀开口可通向预燃室，使得经由阀开口喷射的气体或液体燃料在被引导到燃烧室14中之前被引导通
过预燃室。
42.气体燃料喷射单元30进一步包括致动单元(未示出)，致动单元配置成在发动机汽缸12的发动机循环内控制气体燃料喷射阀44的致动。术语
″
发动机循环
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是指发动机汽缸12的重复和预定的冲程序列，在此期间汽缸的活塞16在其下止点和上止点之间往复移动。
43.在下文中，发动机10的运行，特别是关于其气体燃料喷射单元30的运行，将参考图4进一步说明，图4示出了当发动机10在气体燃料模式下运行时在发动机循环期间的喷射事件的图示。
44.具体地，在图4所示的图中，该图的横坐标描绘了在上止点后(atdc)以度表示的曲柄角。该图左侧的纵坐标示出了各个阀(即，进气阀34、液体燃料喷射阀38和气体燃料喷射阀44)的相关联的归一化升程，其中右侧的纵坐标示出了燃烧室14中占主导的相关联的汽缸压力。更具体地，为了示出各个阀的归一化升程，该图包括表示进气阀34的升程的进气阀升程曲线52，表示液体燃料喷射阀34的升程的液体燃料喷射阀升程曲线54和表示气体燃料喷射阀44在发动机循环期间的升程的气体燃料喷射阀升程曲线56。此外，为了示出燃烧室14中占主导的汽缸压力，该图进一步包括示出发动机循环期间燃烧室14中占主导的压力水平的汽缸压力曲线58。
45.如上所述，在发动机10的运行期间，气体燃料以低于发动机的压缩端压力的最大喷射压力直接喷射到燃烧室14中。该步骤在图4中通过气体燃料喷射阀升程曲线56示出。在发动机循环期间，当用于从燃烧室14排出废气的排气阀40处于关闭状态时，开始喷射气体燃料的步骤。换言之，气体燃料喷射单元30的致动单元配置成致动气体燃料喷射阀44，使得当排气阀40在打开位置中运行时防止气体燃料喷射到燃烧室14中。因此，气体喷射单元30的致动单元配置成致动气体燃料喷射阀，使得当排气阀40在关闭位置运行时执行将气体燃料喷射到燃烧室14中。
46.这样，可以有效地防止气体燃料，即未燃烧的气体燃料的泄漏，从而有助于发动机的更有效和更环保的运行。
47.如图4所示，在发动机循环中，喷射气体燃料的步骤在燃烧室中开始点火的步骤之前执行，在所示结构中，通过将液体燃料作为引燃燃料喷射到燃烧室14中来执行该步骤。换言之，气体燃料喷射单元40的致动单元配置成致动气体燃料喷射阀44，使得在汽缸12的发动机循环内，气体燃料喷射阀44在打开位置中运行，用于在燃烧室14中的点火开始之前将气体燃料喷射到燃烧室14中。此外，致动单元配置成致动气体燃料喷射阀44，使得在发动机循环中，气体燃料喷射阀44在关闭位置中运行，以在燃烧室中的点火开始时防止气体燃料喷射到燃烧室14中。
48.如上所述，在所示的构型中，通过将液体燃料作为引燃燃料喷射到燃烧室14中来启动燃烧室14中的燃料-空气混合物的点火，这在图4中通过液体燃料喷射阀升程曲线54示出。可替代地，燃烧室14中的燃料-空气混合物的点火可以通过释放到燃烧室14或其前室中的高压火花来启动。具体地，这样的点火程序也可以在中速燃气发动机中实施。
49.在直接喷射气体燃料的步骤中，气体燃料以最大喷射压力喷射，该最大喷射压力不大于发动机10的压缩端压力的四分之三或一半，并且大于等于在燃烧室14中占主导的实际压缩压力的两倍，实际压缩压力与相应的曲柄角度位置相关联。在所示构型中，发动机10的压缩端压力可小于250巴，特别是小于200巴。例如，压缩端压力可以是150巴。气体燃料可
以在5巴至100巴范围内的最大喷射压力下喷射。具体地，可以在10巴至50巴范围内的最大喷射压力下喷射气体燃料。由于在所提出的解决方案中，最大喷射压力与已知的燃料喷射装置相比相对较低，所以所提出的气体燃料喷射单元30可具有较不复杂的设计。
50.如可以从图4中描绘的图表中收集的，喷射气体燃料的步骤在-150
°
至-15
°
上止点后的范围内执行。可替代地，将气体燃料喷射到燃烧室14中的步骤可以在-360
°
至-15
°
上止点后的范围内执行。具体地，为了确保在发动机循环内点燃燃料-空气混合物的步骤之前完成喷射气体燃料的步骤，在-15
°
上止点后下完成喷射气体燃料的步骤。
51.在替代实施例中，发动机10可设置为中速燃气发动机。在本发明的上下文中，术语
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中速燃气发动机
″
是指以气态燃料运行的内燃发动机，并且其以500rpm至1400rpm范围内的速度、优选地以约750rpm或1000rpm的速度运行。通常，这种发动机以气体燃料模式运行，其中作为唯一燃料的气体燃料在燃烧室中燃烧。
52.当作为中速燃气发动机提供时，省略了上述液体燃料喷射单元在发动机10中的使用。替代地，发动机10设置有火花塞单元，火花塞单元配置成通过释放到燃烧室14中或预燃室中的高压火花来启动燃烧室14中的燃料-空气混合物的点火。在其相应的发动机循环中，直接喷射气体燃料的步骤优选地在相同的定时和相同的喷射压力下执行，如上所述，特别是如结合图4所述。
53.对于本领域技术人员显而易见的是，这些实施例和项目仅描述了多种可能性的示例。因此，这里所示的实施例不应被理解为构成对这些特征和配置的限制。可以根据本发明的范围选择所述特征的任何可能的组合和配置。
54.可以提供一种用于在气体燃料模式下运行被提供为中速燃气发动机或双燃料发动机的内燃发动机的方法。该方法可以包括以下步骤：以低于发动机的压缩端压力的最大喷射压力将气体燃料直接喷射到发动机的燃烧室中。
55.通过提出一种将气体燃料直接喷射到发动机的燃烧室中的方法，与已知的发动机(例如已知的双燃料发动机，其中气体燃料在被引导到燃烧室中之前与进气预混合)相比，可以更精确地控制气体燃料的供应，即关于其定时和量。
56.所提出的方法可用于运行用作船舶或发电厂中的主发动机或辅助发动机的发动机。然而，该方法不限于这些应用。
57.在进一步的发展中，该方法可以被提供为使得在发动机的汽缸的发动机循环内，当用于从燃烧室排放或排出排气的发动机的排气阀处于关闭状态时，开始将气体燃料直接喷射到燃烧室中的步骤。
58.这样，所提出的方法可以防止在发动机循环内的进气冲程开始时，未燃烧的气体燃料经由排气阀排出。换句话说，可以防止未燃烧的气体燃料的滑移。结果，所提出的方法可以有助于更加环境友好的发动机运行。
59.该方法还可包括启动燃烧室中的燃料-空气混合物的点火的步骤，其中在汽缸的发动机循环内，直接喷射气体燃料的步骤可在启动燃烧室中的点火的步骤之前执行。
60.具体地，当发动机设置为双燃料发动机时，可以通过将例如液体燃料的引燃燃料喷射到燃烧室中来执行在燃烧室中开始点火的步骤。可替代地或另外地，可以通过将高压火花放电到燃烧室中或其预燃室中来执行在燃烧室中开始点火的步骤。
61.当发动机被提供为中速燃气发动机时，在燃烧室中开始点火的步骤可以通过将高
压火花放电到燃烧室中或其前室中来执行。
62.在进一步的发展中，可以执行直接喷射气体燃料的步骤，使得气体燃料以不大于发动机的压缩端压力的四分之三或一半的最大喷射压力喷射。此外，最大喷射压力可以大于等于在喷射事件期间燃烧室中占主导地位的发动机的实际压缩压力的两倍。
63.可替代地或另外地，可以执行直接喷射气体燃料的步骤，使得气体燃料以在5巴至100巴范围内、特别是在10巴至50巴范围内的最大喷射压力喷射。此外，发动机的压缩端压力可以小于250巴、特别是小于200巴或150巴。
64.在进一步的发展中，喷射气体燃料的步骤可以在发动机循环内的汽缸的上止点之前360
°
至15
°
的范围内执行。此外，可以执行直接喷射气体燃料的步骤，使得其在汽缸的上止点之前15
°
或30
°
处完成。
65.此外，可以提供一种在内燃发动机中使用的气体燃料喷射单元，所述内燃发动机在以气体燃料模式运行时设置为中速燃气发动机或双燃料发动机。气体燃料喷射单元可以包括气体燃料喷射阀和气体燃料进给单元，气体燃料喷射阀配置成将气体燃料直接喷射到发动机的燃烧室中，气体燃料进给单元配置成以低于发动机的压缩端压力的最大喷射压力将加压气体燃料供应到气体燃料喷射阀。
66.气体燃料喷射单元尤其可用于执行上述发动机的运行。因此，结合上述方法描述的技术特征也可以涉及并应用于所提出的气体燃料喷射单元，反之亦然。
67.气体燃料喷射单元可进一步包括致动单元，致动单元配置成控制气体燃料喷射阀在发动机的汽缸的发动机循环内的致动，其中致动单元可配置成致动气体燃料喷射阀，使得当汽缸的排气阀在打开位置中运行时阻止气体燃料喷射到燃烧室中。
68.此外，致动单元可配置成致动气体燃料喷射阀，使得在发动机的汽缸的发动机循环内，气体燃料喷射阀在燃烧室中的点火开始之前在用于将气体燃料喷射到燃烧室中的打开位置中运行，并且在燃烧室中的点火开始时在用于防止气体燃料喷射到燃烧室中的关闭位置中运行。
69.气体燃料进给单元可包括气体压缩机，气体压缩机配置成用于对要供应到气体燃料喷射阀的气体燃料加压。此外，气体压缩机可配置成由发动机或电动机驱动。
70.气体燃料喷射阀可以集成在发动机的汽缸盖中，使得在发动机中的安装状态下，气体燃料喷射阀在燃烧室的横向或中心区域通向燃烧室。
71.此外，可以提供内燃发动机。内燃发动机优选设置为中速燃气发动机或双燃料发动机。此外，发动机可配备有如上所述的气体燃料喷射单元，气体燃料喷射单元配置成当发动机以气体燃料模式运行时将气体燃料直接喷射到发动机的燃烧室中。
72.由于所提出的内燃发动机配备有上述气体燃料喷射单元，因此结合上述方法或气体燃料喷射单元描述的技术特征也可以涉及并应用于所提出的内燃发动机，反之亦然。
73.工业实用性
74.参考附图及其伴随的描述，提出了一种用于运行内燃发动机的方法和相应的气体燃料喷射单元。如上所述的方法和气体燃料喷射单元可应用于设置为中速燃气发动机或双燃料发动机的内燃发动机中。所建议的方法可以代替传统的运行方法。因此，所建议的气体燃料喷射单元可以代替传统的气体燃料供应单元，并且可以用作替换或改进部件。