ระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรง ( GDI ) หรือที่รู้จักกันในชื่อระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรง ( PDI ) ^{[ 1 ]}เป็น ระบบ ฉีดเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้น้ำมันเบนซินโดยจะฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องเผาไหม้ โดยตรง ซึ่งแตกต่างจาก ระบบ ฉีดเชื้อเพลิงเข้าท่อร่วมไอดีที่ฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในท่อร่วมไอดีเพื่อผสมกับกระแสอากาศขาเข้าก่อนที่จะถึงห้องเผาไหม้

การใช้ GDI สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์และกำลังขับจำเพาะ และยังสามารถลดการปล่อยไอเสียจากยานพาหนะได้อีกด้วย^{[ 2 ]}

เครื่องยนต์รุ่นแรกที่ใช้ระบบ GDI (Guided Direct Impingement) คือเครื่องยนต์ Hesselman ของสวีเดน ซึ่งเป็นเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟแบบหลายเชื้อเพลิงที่มีอัตราส่วนการอัดต่ำ และมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์แบบใช้คาร์บูเรเตอร์แบบดั้งเดิม นอกจากนี้ยังสามารถใช้เชื้อเพลิงดีเซลน้ำมันก๊าดเอทานอลและน้ำมันดินได้ อีกด้วย เนื่องจากน้ำมันเบนซินมีราคาแพงกว่าเชื้อเพลิงที่ผ่านการกลั่นน้อยกว่า จึงมักใช้สำหรับการสตาร์ทเครื่องยนต์เท่านั้น เมื่อเครื่องยนต์ทำงานได้แล้วก็จะเปลี่ยนไปใช้เชื้อเพลิงที่ราคาถูกกว่า

เครื่องยนต์ Hesselman เปิดตัวในปี 1925 และถูกนำไปใช้โดย ผู้ผลิต รถบรรทุกและเครื่องจักรหนักในสวีเดน รวมถึงผู้ผลิตเครื่องยนต์แบบอยู่กับที่และยานพาหนะหนักในสหรัฐอเมริกาตลอดช่วงทศวรรษ 1940 เครื่องยนต์ GDI ที่ผลิตในปริมาณมากเป็นครั้งแรกที่ใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงเชิงกลของ Bosch (แบบเดียวกับที่ใช้ในห้องเผาไหม้ล่วงหน้าในเครื่องยนต์ดีเซล) คือเครื่องยนต์DB601 V12 สำหรับเครื่องบินMesserschmitt Bf 109ในปี 1936

การใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงเชิงกลของBoschในรูปแบบการฉีดตรง ทำให้ชาวเยอรมันสามารถใช้กำลังอัด สูงมาก และระบบอัดอากาศแรงดันสูงมาก เพื่อผลิตกำลังสูงได้อย่างน่าเชื่อถือจากน้ำมันเบนซินคุณภาพต่ำที่มีค่าออกเทนเพียง 87 นอกจากนี้ เครื่องยนต์ของเครื่องบินรบยังไม่ดับในขณะเลี้ยวด้วยแรง G ติดลบ ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์แบบใช้คาร์บูเรเตอร์ เช่น เครื่องยนต์Rolls-Royce Merlin

เครื่องยนต์แบบอัดอากาศทั่วไปไม่เพียงแต่ต้องการน้ำมันเชื้อเพลิง เครื่องบินที่มีค่าออกเทน 100–200 เพื่อให้ได้กำลังเท่ากับเครื่องยนต์DB601และDB605 ในภายหลัง เท่านั้น แต่เครื่องบินรบที่ใช้เครื่องยนต์เมอร์ลินและเครื่องยนต์แบบใช้คาร์บูเรเตอร์อื่นๆ ยังมีความเปราะบางต่อกลยุทธ์ที่บังคับให้นักบินต้องเลี้ยวด้วยแรง G ติดลบเพื่อหลีกเลี่ยงการถูกยิงตก การสูญเสียกำลังเครื่องยนต์ที่เกิดขึ้นอาจนำไปสู่การตกของเครื่องบินในสถานการณ์เช่นนั้นโรลส์-รอยซ์สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ในช่วงปลายสงคราม ประมาณปลายปี 1943

รถยนต์เยอรมันหลายรุ่นใช้ระบบ GDI แบบกลไกของ Bosch ในช่วงทศวรรษ 1950 อย่างไรก็ตาม การใช้เทคโนโลยีนี้ยังคงหายากจนกระทั่งปี 1996 เมื่อมิตซูบิชิได้นำระบบ GDI แบบอิเล็กทรอนิกส์มาใช้กับรถยนต์ที่ผลิตจำนวนมากของตน

นับตั้งแต่นั้นมา GDI ได้รับการนำไปใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยเพิ่มขึ้นในสหรัฐอเมริกาจาก 2.3% ของการผลิตสำหรับรถยนต์รุ่นปี 2008 เป็นประมาณ 50% สำหรับรถยนต์รุ่นปี 2016 ^{[ 3 ] [ 4 ]}

"โหมดการจ่ายเชื้อเพลิง" ของเครื่องยนต์ฉีดตรง หมายถึงวิธีการกระจายเชื้อเพลิงไปทั่วห้องเผาไหม้:

• ในโหมดการผสมเชื้อเพลิงแบบสม่ำเสมอเชื้อเพลิงจะผสมกับอากาศอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งห้องเผาไหม้ คล้ายกับการฉีดเชื้อเพลิงเข้าท่อร่วมไอดี
• ในโหมดการจ่ายเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้นจะมีบริเวณที่มีความหนาแน่นของเชื้อเพลิงสูงกว่าอยู่รอบหัวเทียน และมีส่วนผสมของเชื้อเพลิงที่บางกว่า (ความหนาแน่นของเชื้อเพลิงต่ำกว่า) อยู่ในบริเวณที่อยู่ห่างออกไปจากหัวเทียน

ในโหมดการชาร์จแบบเอกพันธ์เครื่องยนต์จะทำงานด้วยส่วนผสมอากาศ-เชื้อเพลิงที่เป็นเอกพันธ์ ( ) ซึ่งหมายความว่ามีส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศที่ (เกือบ) สมบูรณ์แบบในกระบอกสูบ เชื้อเพลิงจะถูกฉีดในช่วงเริ่มต้นของจังหวะดูดเพื่อให้มีเวลาผสมกับอากาศมากที่สุด ทำให้เกิดส่วนผสมที่เป็นเอกพันธ์^{[ 5 ]}โหมดนี้อนุญาตให้ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบสามทาง ทั่วไป สำหรับการบำบัดก๊าซไอเสีย^{[ 6 ]}${\displaystyle \lambda =1}$

เมื่อเปรียบเทียบกับการฉีดแบบหลายทางประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย แต่กำลังขับจำเพาะดีกว่า^{[ 7 ]}ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโหมดโฮโมจีนัสจึงมีประโยชน์สำหรับการลดขนาดเครื่องยนต์^{[ 6 ]}เครื่องยนต์เบนซินสำหรับรถยนต์นั่งส่วนบุคคลแบบฉีดตรงส่วนใหญ่ใช้โหมดประจุโฮโมจีนัส^{[ 8 ] [ 9 ]}

ในโหมดการชาร์จแบบแบ่งชั้นจะมีการสร้างโซนเล็กๆ ของส่วนผสมเชื้อเพลิงและอากาศรอบหัวเทียน โดยมีอากาศล้อมรอบในส่วนที่เหลือของกระบอกสูบ ซึ่งหมายความว่าจะมีการฉีดเชื้อเพลิงเข้าไปในกระบอกสูบน้อยลงโดยรวม ทำให้มีอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงสูงมาก^[ 10 ^{] โดย}มีอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงเฉลี่ยที่โหลดปานกลาง และที่โหลดเต็มที่^{[ 11 ]}ในอุดมคติแล้ว วาล์วปีกผีเสื้อจะเปิดอยู่ให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากการลดปริมาณเชื้อเพลิง แรงบิดจะถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนปริมาณเชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปเท่านั้น (การควบคุมแรงบิดที่มีคุณภาพ) แทนที่จะเปลี่ยนปริมาณอากาศที่เข้าสู่กระบอกสูบ โหมดการชาร์จแบบแบ่งชั้นยังช่วยให้เปลวไฟอยู่ห่างจากผนังกระบอกสูบ ลดการสูญเสียความร้อน^{[ 12 ]}${\displaystyle \lambda >8}$${\displaystyle \lambda =3...5}$${\displaystyle \lambda =1}$

เนื่องจากส่วนผสมที่บางเกินไปไม่สามารถจุดติดด้วยหัวเทียนได้ (เนื่องจากขาดเชื้อเพลิง) จึงต้องมีการแบ่งชั้นของส่วนผสม กล่าวคือ ต้องสร้างโซนเล็กๆ ของส่วนผสมเชื้อเพลิง-อากาศรอบๆ หัวเทียน^{[ 13 ]}เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ เครื่องยนต์แบบแบ่งชั้นจะฉีดเชื้อเพลิงในช่วงท้ายของจังหวะการอัด มักใช้ "ช่องหมุนวน" ที่ด้านบนของลูกสูบเพื่อนำเชื้อเพลิงไปยังโซนรอบๆหัวเทียนเทคนิคนี้ทำให้สามารถใช้ส่วนผสมที่บางมาก ซึ่งเป็นไปไม่ได้หากใช้คาร์บูเรเตอร์หรือระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบท่อร่วมไอดีทั่วไป^{[ 14 ]}

โหมดการชาร์จแบบแบ่งชั้น (เรียกอีกอย่างว่าโหมด "เผาไหม้แบบลีนพิเศษ") ถูกใช้ที่โหลดต่ำเพื่อลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและการปล่อยไอเสีย ที่โหลดสูงขึ้น โหมดนี้จะถูกปิดใช้งาน และเครื่องยนต์จะเปลี่ยนไปใช้โหมดแบบเนื้อเดียวกันด้วยอัตราส่วนอากาศต่อเชื้อเพลิงแบบสโตอิคิโอเมตริกที่โหลดปานกลาง และส่วนผสมที่เข้มข้นขึ้นที่โหลดสูงขึ้น^{[ 15 ]}${\displaystyle \lambda =1}$

ในทางทฤษฎี โหมดการจ่ายเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้นสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและลดการปล่อยไอเสียได้^{[ 16 ]}อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ โหมดนี้ไม่ได้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่สำคัญเหนือกว่าแนวคิดการจ่ายเชื้อเพลิงแบบสม่ำเสมอทั่วไป การเผาไหม้แบบลีนโดยธรรมชาติทำให้เกิดไนโตรเจนออกไซด์ใน ระดับที่สูงขึ้น ^{[ 17 ]}ซึ่งบางครั้งจำเป็นต้องใช้ตัวดูดซับ NOxในระบบไอเสียเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษ^{[ 18 ]}ตัวดูดซับ NOx อาจต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีกำมะถันต่ำ เนื่องจากกำมะถันจะขัดขวางการทำงานอย่างเหมาะสม^{[ 19 ]}เครื่องยนต์ GDI ที่มีการฉีดเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้นยังสามารถผลิตอนุภาคฝุ่นละออง ในปริมาณที่สูงกว่า เครื่องยนต์ที่ฉีดเชื้อเพลิงแบบท่อร่วมไอดี^{[ 20 ]}ซึ่งบางครั้งจำเป็นต้องใช้ตัวกรองอนุภาคในท่อไอเสีย (คล้ายกับตัวกรองอนุภาคดีเซล ) เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษของยานยนต์^{[ 21 ]}ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตรถยนต์ในยุโรปหลายรายจึงละทิ้งแนวคิดการจ่ายเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้นหรือไม่ได้นำมาใช้เลย ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์เบนซิน Renault 2.0 IDE ปี 2000 ( F5R ) ไม่เคยใช้โหมดการฉีดเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้น^{[ 22 ]} เครื่องยนต์ BMW N55ปี 2009 และ เครื่องยนต์ Mercedes-Benz M256 ปี 2017 ได้ยกเลิกโหมดการฉีดเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้นที่ใช้โดยรุ่นก่อนหน้า กลุ่ม Volkswagen ใช้การฉีดเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้นในเครื่องยนต์แบบดูดอากาศเองที่เรียกว่าFSIแต่เครื่องยนต์เหล่านี้ได้รับ การอัปเดต หน่วยควบคุมเครื่องยนต์ที่ปิดใช้งานโหมดการฉีดเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้น^{[ 23 ]}เครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จของ Volkswagen ที่เรียกว่าTFSIและTSIใช้โหมดแบบเดียวกันมาโดยตลอด^{[ 24 ]}เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ Volkswagen เหล่านี้ เครื่องยนต์เบนซินแบบฉีดตรงรุ่นใหม่ส่วนใหญ่ (ตั้งแต่ปี 2017 เป็นต้นไป) ใช้โหมดการฉีดเชื้อเพลิงแบบเดียวกันร่วมกับการปรับจังหวะวาล์วแบบแปรผันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดี แนวคิดการฉีดเชื้อเพลิงแบบแบ่งชั้นส่วนใหญ่ถูกยกเลิกไปแล้ว^{[ 25 ]}

เทคนิคทั่วไปในการสร้างการกระจายเชื้อเพลิงที่ต้องการทั่วห้องเผาไหม้ ได้แก่ การฉีด แบบควบคุมด้วยละออง การฉีดแบบควบคุมด้วยอากาศและ การฉีด แบบควบคุมด้วยผนังห้องเผาไหม้ ปัจจุบันมีแนวโน้มไปสู่การฉีดแบบควบคุมด้วยละออง เนื่องจากให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูงกว่า

ในเครื่องยนต์ฉีดเชื้อเพลิงแบบนำทางด้วยผนัง ระยะห่างระหว่างหัวเทียนและหัวฉีดเชื้อเพลิงค่อนข้างมาก เพื่อให้เชื้อเพลิงเข้าใกล้หัวเทียน จึงต้องฉีดเข้าไปในช่องหมุนวนที่ด้านบนของลูกสูบ (ดังที่เห็นในภาพเครื่องยนต์ Ford EcoBoost) ซึ่งจะนำเชื้อเพลิงไปยังหัวเทียน ช่องดูดอากาศแบบหมุนวนหรือแบบปั่นป่วนพิเศษจะช่วยในกระบวนการนี้ จังหวะการฉีดขึ้นอยู่กับความเร็วของลูกสูบ ดังนั้นที่ความเร็วลูกสูบสูงขึ้น จังหวะการฉีดและการจุดระเบิดจะต้องถูกปรับให้แม่นยำมากยิ่งขึ้น ที่อุณหภูมิเครื่องยนต์ต่ำ เชื้อเพลิงบางส่วนที่กระทบกับลูกสูบที่ค่อนข้างเย็นจะเย็นตัวลงมากจนไม่สามารถเผาไหม้ได้อย่างเหมาะสม เมื่อเปลี่ยนจากภาระเครื่องยนต์ต่ำไปเป็นภาระเครื่องยนต์ปานกลาง (และทำให้จังหวะการฉีดเร็วขึ้น) เชื้อเพลิงบางส่วนอาจถูกฉีดเข้าไปด้านหลังช่องหมุนวน ทำให้เกิดการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์อีกครั้ง^{[ 26 ]} ดังนั้น เครื่องยนต์ที่มีระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงแบบนำทางด้วยผนังจึงอาจประสบปัญหาการปล่อยไฮโดรคาร์บอน สูง ^{[ 10 ]}

ในระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบใช้ลมนำทาง เช่นเดียวกับระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบใช้ผนังกระบอกสูบนำทาง ระยะห่างระหว่างหัวเทียนและหัวฉีดเชื้อเพลิงค่อนข้างมาก อย่างไรก็ตาม เชื้อเพลิงจะไม่สัมผัสกับชิ้นส่วนเครื่องยนต์ที่ค่อนข้างเย็น เช่น ผนังกระบอกสูบและลูกสูบ แทนที่จะถูกฉีดพ่นไปที่โพรงหมุนวน เชื้อเพลิงจะถูกนำทางไปยังหัวเทียนโดยอากาศที่ดูดเข้ามาเท่านั้น ดังนั้นอากาศที่ดูดเข้ามาจะต้องมีการหมุนวนหรือการเคลื่อนที่แบบปั่นป่วนที่เฉพาะเจาะจงเพื่อนำทางเชื้อเพลิงไปยังหัวเทียน และการเคลื่อนที่นี้จะต้องคงอยู่นานพอที่จะผลักเชื้อเพลิงทั้งหมดเข้าไปในบริเวณหัวเทียน ข้อกำหนดนี้จะลดประสิทธิภาพการชาร์จของเครื่องยนต์และส่งผลให้กำลังขับลดลง ในทางปฏิบัติ มักใช้การฉีดเชื้อเพลิงแบบใช้ลมนำทางและแบบใช้ผนังกระบอกสูบนำทางร่วมกัน^{[ 27 ]}มีเพียงเครื่องยนต์เดียวเท่านั้นที่ทราบว่าใช้การฉีดเชื้อเพลิงแบบใช้ลมนำทางเพียงอย่างเดียว^{[ 28 ]}

ในเครื่องยนต์ระบบฉีดเชื้อเพลิงตรงแบบมีหัวฉีดนำทาง ระยะห่างระหว่างหัวเทียนและหัวฉีดค่อนข้างแคบ ทั้งสองอย่างตั้งอยู่ระหว่างวาล์วของกระบอกสูบ เชื้อเพลิงจะถูกฉีดในช่วงท้ายของจังหวะอัด ทำให้เกิดการผสมที่ไม่สม่ำเสมอและรวดเร็วมาก ส่งผลให้เกิดการแบ่งชั้นขนาดใหญ่ โดยมีบริเวณตรงกลางที่มีอัตราส่วนอากาศต่ำมาก และบริเวณด้านนอกที่มีอัตราส่วนอากาศสูงมาก เชื้อเพลิงจะจุดติดได้เฉพาะในบริเวณตรงกลางระหว่างสองบริเวณนี้เท่านั้น การจุดติดเกิดขึ้นเกือบจะทันทีหลังจากการฉีด ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ หัวเทียนต้องถูกติดตั้งให้ตรงบริเวณที่ส่วนผสมสามารถจุดติดได้ ดังนั้น ความคลาดเคลื่อนในการผลิตจึงต้องแคบมาก เนื่องจากความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยสามารถลดคุณภาพการเผาไหม้ได้อย่างมาก เชื้อเพลิงจะทำให้หัวเทียนเย็นลงทันทีก่อนที่จะสัมผัสกับความร้อนจากการเผาไหม้ ดังนั้นหัวเทียนจึงต้องทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้มาก^{[ 29 ]}ที่ความเร็วลูกสูบ (และเครื่องยนต์) ต่ำ ความเร็วสัมพัทธ์ของอากาศและเชื้อเพลิงจะต่ำ ซึ่งอาจป้องกันการระเหยอย่างเหมาะสมและส่งผลให้ส่วนผสมเข้มข้นมาก ส่วนผสมที่เข้มข้นจะไม่เผาไหม้อย่างเหมาะสมและทำให้เกิดคาร์บอนสะสม^{[ 30 ]}ที่ความเร็วลูกสูบสูง เชื้อเพลิงจะกระจายไปทั่วกระบอกสูบมากขึ้น ซึ่งอาจทำให้ส่วนที่ติดไฟได้ของส่วนผสมอยู่ห่างจากหัวเทียนมากจนไม่สามารถจุดส่วนผสมได้อีกต่อไป^{[ 31 ]}

เทคโนโลยีอื่นๆ ที่ใช้เสริม GDI ในการสร้างประจุแบบแบ่งชั้น ได้แก่การปรับจังหวะวาล์วการปรับระยะยกวาล์วและท่อร่วมไอดีแบบปรับความยาวได้ [ ^{32 ] การ}หมุนเวียนก๊าซไอเสียยังสามารถใช้เพื่อลดการปล่อยก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) ในปริมาณสูงที่อาจเกิดจากการเผาไหม้แบบบางมาก^{[ 33 ]}

การฉีดน้ำมันเบนซินโดยตรงไม่ได้ให้การทำความสะอาดวาล์วที่เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงถูกฉีดเข้าไปก่อนถึงกระบอกสูบ^{[ 34 ]}ในเครื่องยนต์ที่ไม่ใช่ GDI น้ำมันเบนซินที่ไหลผ่านพอร์ตไอดีทำหน้าที่เป็นสารทำความสะอาดสำหรับสิ่งปนเปื้อน เช่น น้ำมันที่ถูกทำให้เป็นละออง การขาดการทำความสะอาดนี้อาจทำให้เกิดคราบคาร์บอนเพิ่มขึ้นในเครื่องยนต์ GDI ผู้ผลิตรายอื่นจำหน่ายถังดักน้ำมันที่ออกแบบมาเพื่อป้องกันหรือลดคราบเหล่านี้

ความสามารถในการสร้างกำลังสูงสุดที่ความเร็วรอบเครื่องยนต์สูง (RPM) นั้นมีข้อจำกัดมากกว่าในเครื่องยนต์ GDI เนื่องจากมีเวลาในการฉีดเชื้อเพลิงในปริมาณที่ต้องการน้อยกว่า ในระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบท่อร่วมไอดี (รวมถึงคาร์บูเรเตอร์และระบบฉีดเชื้อเพลิงแบบลิ้นปีกผีเสื้อ) สามารถเติมเชื้อเพลิงลงในส่วนผสมอากาศที่เข้าสู่เครื่องยนต์ได้ตลอดเวลา อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์ GDI มีข้อจำกัดในการฉีดเชื้อเพลิงเฉพาะในช่วงการดูดและการอัดเท่านั้น ซึ่งกลายเป็นข้อจำกัดที่ความเร็วรอบสูง เนื่องจากแต่ละรอบการเผาไหม้จะสั้นลง เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ เครื่องยนต์ GDI บางรุ่น (เช่น เครื่องยนต์ Toyota 2GR-FSE V6และVolkswagen EA888 I4 ) จึงมีชุดหัวฉีดเชื้อเพลิงแบบท่อร่วมไอดีเพื่อจ่ายเชื้อเพลิงเพิ่มเติมที่ความเร็วรอบสูง หัวฉีดแบบท่อร่วมไอดีเหล่านี้ยังช่วยทำความสะอาดคราบคาร์บอนออกจากระบบไอดีอีกด้วย

น้ำมันเบนซินไม่ได้ให้การหล่อลื่นในระดับเดียวกับน้ำมันดีเซลสำหรับส่วนประกอบหัวฉีด ซึ่งอาจจำกัดแรงดันการฉีดที่ใช้ในเครื่องยนต์ GDI แรงดันการฉีดในเครื่องยนต์ GDI จึงมักถูกจำกัดไว้ที่ประมาณ 20 MPa (2.9 ksi) เพื่อป้องกันการสึกหรอของหัวฉีดมากเกินไป^{[ 35 ]}

แม้ว่าเทคโนโลยี GDI จะได้รับการยกย่องว่าช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและลดการปล่อย CO2 _แต่เครื่องยนต์ GDI ก็ผลิต ละออง คาร์บอนดำ มากกว่า เครื่องยนต์ฉีดเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิม คาร์บอนดำเป็นตัวดูดซับรังสีจากแสงอาทิตย์ได้ดีและมีคุณสมบัติทำให้โลกร้อนอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 36 ]}

ในการศึกษาที่ตีพิมพ์ในเดือนมกราคม 2020 ในวารสารEnvironmental Science and Technologyทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยจอร์เจีย (สหรัฐอเมริกา) คาดการณ์ว่าการเพิ่มขึ้นของการปล่อยก๊าซคาร์บอนดำจากยานยนต์ที่ใช้พลังงาน GDI จะทำให้ภาวะโลกร้อนในเขตเมืองของสหรัฐอเมริกาเพิ่มขึ้นในปริมาณที่มากกว่าการลดอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับการลดการปล่อยก๊าซ CO2 อย่างมีนัยสำคัญ_นักวิจัยยังสรุปได้ว่าการเปลี่ยนจากเครื่องยนต์ฉีดเชื้อเพลิงแบบพอร์ต (PFI) แบบดั้งเดิมไปเป็นเทคโนโลยี GDI จะทำให้อัตราการเสียชีวิตก่อนวัยอันควรที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยมลพิษจากยานยนต์เพิ่มขึ้นเกือบสองเท่า จาก 855 รายต่อปีในสหรัฐอเมริกาเป็น 1,599 ราย พวกเขาประเมินต้นทุนทางสังคมประจำปีของการเสียชีวิตก่อนวัยอันควรเหล่านี้ไว้ที่ 5.95 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ^{[ 37 ]}

หนึ่งในนักประดิษฐ์ยุคแรกๆ ที่ทดลองกับการฉีดน้ำมันเบนซินโดยตรงคือArchibald Lowซึ่งตั้งชื่อเครื่องยนต์ของเขาอย่างผิดๆ ว่าForced Induction Engineอย่างไรก็ตาม มีเพียงการป้อนเชื้อเพลิงเท่านั้นที่ถูกบังคับ เขาเปิดเผยรายละเอียดของเครื่องยนต์ต้นแบบของเขาในช่วงต้นปี 1912 ^{[ 38 ]} และการออกแบบได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมโดย FE Baker Ltdผู้ผลิตเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ในช่วงปี 1912 ^{[ 39 ]}ผลลัพธ์ถูกนำเสนอในบูธของพวกเขาที่งานแสดงรถจักรยานยนต์โอลิมเปียในเดือนพฤศจิกายน 1912 เครื่องยนต์เป็นเครื่องยนต์รถจักรยานยนต์สี่จังหวะที่มีอัตราส่วนการอัดสูง โดยใช้น้ำมันเบนซินที่ถูกอัดแรงดันแยกต่างหากที่ 1000 psi และป้อนเข้าไปในกระบอกสูบ "ในขณะที่มีการอัดสูงสุด" โดยวาล์วหมุนขนาดเล็ก พร้อมกับการจุดระเบิดพร้อมกันโดยหัวเทียนและขดลวดสั่นที่ช่วยให้ประกายไฟเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องตลอดการเผาไหม้ เชื้อเพลิงที่ฉีดเข้าไปนั้นถูกอธิบายว่าอยู่ในสถานะไอ เนื่องจากได้รับความร้อนจากกระบอกสูบของเครื่องยนต์ แรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงถูกควบคุมที่ปั๊มน้ำมันเชื้อเพลิง และปริมาณน้ำมันเชื้อเพลิงที่ป้อนเข้าถูกควบคุมด้วยกลไกที่วาล์วป้อนเข้าแบบหมุน การออกแบบที่ล้ำสมัยนี้ดูเหมือนจะไม่ได้รับการพัฒนาต่อยอดโดย FE Baker

แม้ว่าระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงจะเพิ่งเป็นที่นิยมในเครื่องยนต์เบนซินตั้งแต่ปี 2000 เป็นต้นมา แต่เครื่องยนต์ดีเซลได้ใช้ระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงเข้าสู่ห้องเผาไหม้ (หรือห้องเตรียมการเผาไหม้) มาตั้งแต่ต้นแบบแรกที่ประสบความสำเร็จในปี 1894 แล้ว

ต้นแบบเครื่องยนต์ GDI รุ่นแรกถูกสร้างขึ้นในเยอรมนีในปี 1916 สำหรับ เครื่องบิน Junkersเครื่องยนต์นี้ได้รับการออกแบบมาในตอนแรกให้เป็นเครื่องยนต์ดีเซล แต่ได้รับการออกแบบใหม่ให้เป็นเครื่องยนต์เบนซินหลังจากที่กระทรวงสงครามของเยอรมนีออกคำสั่งว่าเครื่องยนต์อากาศยานจะต้องใช้น้ำมันเบนซินหรือเบนซีนเป็นเชื้อเพลิง เนื่องจากเป็น เครื่องยนต์สองจังหวะ แบบอัดในห้องข้อเหวี่ยงการจุดระเบิดผิดพลาดอาจทำให้เครื่องยนต์เสียหายได้ ดังนั้น Junkers จึงพัฒนาระบบ GDI เพื่อป้องกันปัญหานี้ มีการสาธิตเครื่องยนต์ต้นแบบให้เจ้าหน้าที่การบินชมไม่นานก่อนที่การพัฒนาจะยุติลงเมื่อสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่ 1 ^{[ 40 ]}

เครื่องยนต์Hesselmanเป็นการออกแบบแบบไฮบริดที่ผลิตโดยผู้ผลิตหลายรายตั้งแต่ปี 1925 ถึง 1951 ^{[ 41 ]}ในเครื่องยนต์ Hesselman เชื้อเพลิงจะไม่ถูกฉีดในช่วงจังหวะดูดพร้อมกับอากาศเหมือนในเครื่องยนต์ Otto cycle ทั่วไป แต่จะถูกฉีดในช่วงจังหวะอัดก่อนการจุดประกายไฟเล็กน้อย^{[ 42 ]}เครื่องยนต์ Hesselman สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลายชนิด รวมถึงน้ำมันเบนซิน แต่โดยทั่วไปจะใช้เชื้อเพลิงดีเซลทั่วไป^{[ 41 ]}

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เครื่องยนต์เครื่องบินของเยอรมันส่วนใหญ่ใช้ระบบ GDI เช่น เครื่องยนต์เรเดียล BMW 801เครื่องยนต์ V12 คว่ำDaimler-Benz DB 601 , DB 603และDB 605และเครื่องยนต์V12 คว่ำJunkers Jumo 210 G, Jumo 211และJumo 213 ที่มีโครงสร้างคล้ายกัน เครื่องยนต์เครื่องบินของฝ่ายสัมพันธมิตร ที่ใช้ระบบ GDI ได้แก่ เครื่องยนต์เรเดียล Shvetsov ASh-82 FNV ของโซเวียต และเครื่องยนต์เรเดียล 18 สูบ Wright R-3350 Duplex Cycloneขนาด 54.9 ลิตรของอเมริกา... บริษัทBosch ของเยอรมัน ได้พัฒนาระบบ GDI แบบกลไกสำหรับรถยนต์มาตั้งแต่ทศวรรษ 1930 ^{[ 43 ]}ในปี 1952 ระบบนี้ได้ถูกนำมาใช้กับเครื่องยนต์สองจังหวะในGoliath GP700และGutbrod Superior เครื่องยนต์นี้ใช้ปั๊มดีเซลฉีดตรงแรงดันสูงพร้อมวาล์วปีกผีเสื้อไอดี เครื่องยนต์เหล่านี้ให้ประสิทธิภาพที่ดีและประหยัดเชื้อเพลิงได้มากถึง 30% เมื่อเทียบกับรุ่นคาร์บูเรเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้ภาระเครื่องยนต์ต่ำ^{[ 43 ]}ข้อดีเพิ่มเติมคือมีถังน้ำมันเครื่องแยกต่างหาก ซึ่งจะผสมกับเชื้อเพลิงโดยอัตโนมัติ ทำให้เจ้าของไม่จำเป็นต้องเตรียมเชื้อเพลิงผสมสำหรับเครื่องยนต์สองจังหวะด้วยตนเอง^{[ 44 ]} Mercedes-Benz 300 SLปี 1954 ยังใช้ระบบ GDI แบบกลไกของ Bosch รุ่นแรกๆ ซึ่งกลายเป็นเครื่องยนต์สี่จังหวะเครื่องแรกที่ใช้ GDI

ในช่วงทศวรรษ 1970 ผู้ผลิตในสหรัฐอเมริกาอย่างAmerican Motors Corporation (AMC) และFordได้พัฒนาต้นแบบระบบ GDI เชิงกลที่เรียกว่าStratichargeและProgrammed Combustion (PROCO) ตามลำดับ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}ระบบStratichargeตอบสนองต่อการไหลของอากาศและความต้องการโหลดของเครื่องยนต์ AMC Hornet I6 ที่ได้รับการดัดแปลงโดยอัตโนมัติ โดยใช้แรงดันควบคุมเชื้อเพลิงสองชุดแยกกันที่จ่ายให้กับหัวฉีดแบบไหลต่อเนื่องสองชุด^{[ 49 ] [ 50 ]}ทั้งสองระบบไม่ได้เข้าสู่กระบวนการผลิต^{[ 51 ] [ 52 ]}

...ในช่วงกลางปี ​​1996 รถยนต์ มิตซูบิชิ กาแลนท์ ที่วางจำหน่ายในตลาดญี่ปุ่นได้รับเครื่องยนต์สี่สูบเรียงMitsubishi 4G93 รุ่น GDI ^{[ 53 ] [ 54 ]}และได้นำเข้ามาในยุโรปในปี 1997 ในรุ่นคาริสมา [ ^{55 ] นอกจาก}นี้ มิตซูบิชิยังได้พัฒนาเครื่องยนต์ GDI หกสูบตัวที่สอง (หลังจากเครื่องยนต์ M198 ที่เปิดตัวใน Mercedes-Benz 300 SL ในปี 1954) คือเครื่องยนต์Mitsubishi 6G74 V6 ในปี 1997 ^{[ 56 ]}มิตซูบิชิได้นำเทคโนโลยีนี้ไปใช้อย่างกว้างขวาง โดยผลิตเครื่องยนต์ GDI มากกว่าหนึ่งล้านเครื่องในสี่ตระกูลภายในปี 2001 ^{[ 57 ]}แม้ว่าเทคโนโลยีนี้จะถูกใช้งานมาหลายปีแล้ว แต่เมื่อวันที่ 11 กันยายน 2001 MMC ได้จดทะเบียนเครื่องหมายการค้าสำหรับคำย่อ "GDI" ^{[ 58 ]}ผู้ผลิตรถยนต์ชาวญี่ปุ่นและยุโรปรายอื่นๆ อีกหลายรายได้นำเครื่องยนต์ GDI มาใช้ในอีกหลายปีต่อมา เทคโนโลยี GDI ของมิตซูบิชิยังได้รับอนุญาตให้ใช้โดย Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo และ Volkswagen ด้วย^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

เครื่องยนต์ V6 2GR-FSE ของโตโยต้าในปี 2005 เป็นเครื่องยนต์แรกที่ผสมผสานการฉีดเชื้อเพลิงทั้งแบบตรงและแบบอ้อม ระบบนี้ (เรียกว่า "D-4S") ใช้หัวฉีดเชื้อเพลิงสองหัวต่อกระบอกสูบ ได้แก่ หัวฉีดแรงดันต่ำแบบดั้งเดิมที่ท่อร่วมไอดี และหัวฉีดแรงดันสูงแบบตรง และใช้ในเครื่องยนต์โตโยต้าส่วนใหญ่^{[ 66 ]} ... ในการแข่งขันฟอร์มูล่าวัน การฉีดเชื้อเพลิงแบบตรงถูกกำหนดให้เป็นข้อบังคับสำหรับฤดูกาล 2014โดยมีข้อบังคับ 5.10.2 ระบุว่า: "อนุญาตให้มีหัวฉีดแบบตรงได้เพียงหนึ่งหัวต่อกระบอกสูบเท่านั้น และไม่อนุญาตให้มีหัวฉีดใดๆ อยู่เหนือวาล์วไอดีหรือใต้วาล์วไอเสีย" ^{[ 67 ]}

ระบบ GDI มีข้อดีเพิ่มเติมสำหรับเครื่องยนต์สองจังหวะในด้านการระบายก๊าซไอเสียและการหล่อลื่นห้องข้อเหวี่ยง

เครื่องยนต์สองจังหวะส่วนใหญ่จะมีทั้งพอร์ตไอดีและพอร์ตไอเสียเปิดอยู่ระหว่างจังหวะไอเสียเพื่อช่วยในการระบายก๊าซไอเสียออกจากกระบอกสูบ ส่งผลให้ส่วนผสมของเชื้อเพลิงและอากาศบางส่วนที่เข้าสู่กระบอกสูบจะไหลออกทางพอร์ตไอเสียโดยไม่เผาไหม้ ในขณะที่เครื่องยนต์แบบฉีดตรง จะมีเพียงอากาศ (และโดยปกติจะมีน้ำมันบางส่วน) เข้ามาจากห้องข้อเหวี่ยง และจะไม่มีการฉีดเชื้อเพลิงจนกว่าลูกสูบจะขึ้นและพอร์ตทั้งหมดปิดสนิท

การหล่อลื่นห้องข้อเหวี่ยงในเครื่องยนต์ GDI สองจังหวะทำได้โดยการฉีดน้ำมันเข้าไปในห้องข้อเหวี่ยง ส่งผลให้มีการใช้น้ำมันน้อยลงกว่าวิธีการเดิมที่ฉีดน้ำมันผสมกับเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องข้อเหวี่ยง^{[ 68 ]}

ระบบฉีดเชื้อเพลิง โดยตรง (GDI) ในเครื่องยนต์สองจังหวะมีสองประเภท ได้แก่ แบบแรงดันต่ำใช้ลมช่วย และแบบแรงดันสูง ระบบแรงดันต่ำ—อย่างที่ใช้ในรถ มอเตอร์ไซค์ Aprilia SR50 ปี 1992— ใช้คอมเพรสเซอร์อากาศที่ขับเคลื่อนด้วยเพลาข้อเหวี่ยงเพื่อฉีดอากาศเข้าไปในฝาสูบ จากนั้นหัวฉีดแรงดันต่ำจะพ่นเชื้อเพลิงเข้าไปในห้องเผาไหม้ ซึ่งเชื้อเพลิงจะกลายเป็นไอเมื่อผสมกับอากาศที่ถูกอัด อีกตัวอย่างหนึ่งของระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงแรงดันต่ำคือเครื่องยนต์เรือติดท้ายรุ่นOptiMax ของ Mercury Marine ซึ่งเลิกผลิตไปแล้วในปี 2018

ระบบ GDI แรงดันสูงได้รับการพัฒนาโดยบริษัท Ficht GmbH ของเยอรมนีในช่วงทศวรรษ 1990 และนำมาใช้กับเครื่องยนต์เรือโดยOutboard Marine Corporation (OMC) ในปี 1997 เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดด้านการปล่อยมลพิษที่เข้มงวดมากขึ้น อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์เหล่านี้มีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือ และ OMC ประกาศล้มละลายในเดือนธันวาคม 2000 ^{[ 69 ] [ 70 ]} Evinrude E-Tecเป็นเวอร์ชันปรับปรุงของระบบ Ficht ซึ่งเปิดตัวในปี 2003 ^{[ 71 ]}และได้รับรางวัล EPA Clean Air Excellence Award ในปี 2004 ^{[ 72 ]}

Envirofit Internationalซึ่งเป็นองค์กรไม่แสวงหาผลกำไรของอเมริกา ได้พัฒนาชุดดัดแปลงระบบฉีดเชื้อเพลิงโดยตรงสำหรับรถจักรยานยนต์สองจังหวะ (โดยใช้เทคโนโลยีที่พัฒนาโดยOrbital Corporation Limited ) ในโครงการเพื่อลดมลพิษทางอากาศในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้^{[ 73 ]}รถแท็กซี่และรถจักรยานยนต์สองจังหวะประมาณ 100 ล้านคันในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้เป็นแหล่งมลพิษที่สำคัญในภูมิภาค^{[ 74 ] [ 75 ]}