Ý tưởng phun nhiên liệu trực tiếp trên động cơ xăng được kỹ sư người Thụy điển Jonas Hesselman áp dụng đầu tiên trên động cơ lai “Hesselman engine” - kết hợp động cơ xăng và động cơ diesel vào năm 1925, sau đó động cơ này được trang bị trên máy bay để sử dụng trong suốt thời kỳ chiến tranh thế giới thứ 2. Sau đó Bosch phát triển động cơ này cho 2 nhà sản xuất ôtô là Goliath và Gutbrod và ra mắt vào năm 1953. Mặc dù sau đó cơng nghệ này vẫn được các nhà sản xuất ơtơ theo đuổi nhưng khơng có sự đột phá lớn trong việc phổ biến rộng rãi ra các xe thị trường. Vào năm 1996, Mitshubishi bất ngờ đưa công nghệ này trở lại với người tiêu dùng trên mẫu xe Galant và liên tục sau đó các nhà sản xuất ôtô đều giới thiệu công nghệ này trên một hoặc vài model của mình như Nissan với xe Leopard (năm 1997), Toyota D4 với dòng động cơ SZ và NZ (năm 1998) hay Renault với mẫu Megane (năm 1999)…
Điểm khác biệt lớn nhất của công nghệ phun xăng trực tiếp so với các động cơ phun xăng điện tử là thay vì đặt vịi phun ở phía trước xupap và hình thành hỗn hợp xăng và khơng khí bên ngồi buồng đốt thì hệ thống phun xăng trực tiếp đặt vòi phun trực tiếp bên trong xilanh vì vậy hỗn hợp xăng và khơng khí sẽ được hình thành trực tiếp ngay trong buồng đốt.
Quá trình phun nhiên liệu được chia thành hai giai đoạn. Trong kỳ nạp, một lượng nhỏ nhiên liệu được phun trước vào trong buồng đốt để
làm mát khí nạp từ đó tăng được lượng khí nạp vào bên trong xilanh. Q trình phun chính diễn ra khi piston chạm đến điểm chết trên trong kỳ nén ngay trước khi bugi đánh lửa.
Với đặc điểm làm việc giống động cơ diesel nên kết cấu đỉnh piston của động cơ GDI cũng được thiết kế giống như trên động cơ diesel để đảm bảo khi nhiên liệu và khơng khí khi đưa vào bên trong xilanh thì được hịa trộn một cách tối ưu và đồng đều trên khắp không gian của buồng cháy, bên cạnh đó thì vịi phun nhiên liệu trên động cơ GDI cũng phải có áp suất phun lớn hơn giúp các hạt nhiên liệu được phun ra tơi hơn. Điều này giải thích tại sao động cơ GDI có thể hoạt động với hỗn hợp rất lỗng (tỷ số nhiên liệu/khơng có thể lên mức 1:40) trong điều kiện tải trọng nhẹ và động cơ làm việc ở tốc độ cao
đồng thời có thể nâng được tỷ số nén của động cơ lên mức 12,5:1 mà vẫn khơng xảy ra hiện tượng kích nổ trong khi các động cơ xăng thông thường tỷ số nén chỉ dừng ở mức 9-10,5:1.
Động cơ của Q3 ngồi sử dụng cơng nghệ phun xăng trực tiếp GDI còn kết hợp với tăng áp Turbochager giúp tăng được công suất động cơ, giảm được 15% mức tiết tiêu thụ nhiên liệu và cho gia khí thải sạch hơn so với các động cơ phun xăng điện tử. Do vật liệu sử dụng làm piston và xilanh phải có độ bền cao (do nhiệt sinh ra trong quá trình cháy cao hơn rất nhiều) và chế tạo vòi phun cũng phức tạp hơn làm tăng chi phí, có thể đây là một lý do quan trọng khiến hệ thống phun xăng điện trực tiếp GDI không phổ biến như phun xăng điện tử EFI.