缸內直噴是指將燃油噴嘴安裝於氣缸內，直接將燃油噴入氣缸內與進氣混合。噴射壓力也進一步提高，使燃油霧化更加細致，真正實現瞭精準地按比例控制噴油並與進氣混合，並且消除瞭缸外噴射的缺點。同時，噴嘴位置、噴霧形狀、進氣氣流控制，以及活塞頂形狀等特別的設計，使油氣能夠在整個氣缸內充分、均勻的混合，從而使燃油充分燃燒，能量轉化效率更高。
高壓噴射系統
高壓噴油系統可以說是直噴發動機最關鍵的系統，與以前油氣在進氣歧管內混合，然後被負壓吸入發動機不同，直噴發動機是用高壓噴油嘴將燃油噴入汽缸，由於汽缸內壓力已經很大，因此需要噴油系統具備更大的壓力。
高壓噴油系統主要可以分為發動機控制模塊（ECM）、高壓油軌、高壓油泵和噴油嘴四部分，其中ECM主要采集發動機數據，按照預定程序控制噴油時機和噴油量，從而實現最高燃燒效率；而高壓油泵則主要負責燃油的加壓，高壓油軌主要起均衡各噴油嘴噴射壓力的作用，而最終的噴油任務則由噴油嘴來執行。此外，還有多個傳感器提供燃油壓力等信息，確保整個系統的高效率。
ECM（或稱ECU）不僅是直噴發動機的關鍵部分，也是所有技術較新的內燃機的重要組成部分，這個部分涉及到芯片、執行器、軟件等多個環節，其中任何一個環節缺失都無法實現量產裝車。
高壓油泵則是燃油加壓的關鍵環節，在低壓油泵將燃油送到高壓油泵之後，高壓油泵可以將汽油加壓到十餘兆帕的壓力（這是普通汽油泵壓力的三四十倍），並將其送入油軌。高壓油泵通常是由凸輪軸帶動，內部則有雙頭或者三頭凸輪加壓。在高壓油泵上還集成瞭電子油軌壓力調節器（FRP），它是一個由ECM控制的電磁閥，ECM以脈沖寬度調制的方式控制油壓調節器，油壓調節器控制著高壓燃油泵的進口閥，從而控制燃油壓力，當驅動線路失效時，高壓油泵進入低壓模式，發動機仍可應急運行。
經過油泵加壓之後，汽油進入高壓油軌，在高壓油軌穩定壓力後，由於油軌和燃燒室之間存在壓力差，高壓油泵動作之後汽油即噴入汽缸內。噴嘴內部還有電磁閥，可以實現對噴油量和時機的控制，其控制精度要求很高，同時由於噴嘴的位置從進氣歧管移到瞭汽缸內，工作環境和溫度都發生瞭很大變化，對其可靠性的要求也大大提高。
活塞和缸體也需要強化
除開噴油系統之外，其他發動機部件也要為直噴做出相應的設計，才能確保發動機的高效，尤其是活塞頂部的設計非常關鍵。按照可燃混合氣形成的控制方式，缸內直噴方式又可分為油束控制燃燒、壁面控制燃燒和氣流控制燃燒三類。
在油束控制燃燒系統中，噴油器安置在燃燒室中央，火花塞安置在噴油器附近，油束控制對空氣的利用率依靠油束的貫穿深度保證，而後者則受噴油器的噴油壓力控制。這種方式可以在低負荷的分層燃燒實現良好的燃油經濟性，而當發動機處於中高負荷工況時，ECM調節高壓油泵壓力，使油束貫穿深度增大，從而實現均質加濃燃燒。
在壁面控制燃燒系統中，噴油器和火花塞相隔較遠，噴油器把燃油噴入活塞凹坑中，然後依靠進氣流的慣性將油氣混合送往火花塞。為瞭避免噴油器的溫度過高，一般安置在進氣門側，活塞凹坑開口對向進氣門側，油氣混合後直接流向火花塞。這種類型形成混合氣的時間較長，易於形成較大區域的可燃混合氣。
在氣流控制燃燒系統中，利用輪廓特殊的活塞表面形狀形成的缸內氣流和油束相互作用。此種系統不是把油霧朝活塞的凹坑噴射，而是朝火花塞噴，特殊形狀的進氣道與噴油器呈一定的夾角，給混合氣在汽缸內一定的回旋力，汽缸內形成的氣流使油氣不是直接噴向火花塞，而是在汽缸內形成渦流圍繞火花塞旋轉。這樣就使大部分工況都能實行恰當的混合氣充量分層和均質化。
由於直噴發動機的工作溫度更高，因此對缸體強度和冷卻系的要求也更高一些。在保證強度的前提下，更多的新型直噴發動機采用瞭散熱更好的鋁合金缸體，同時還采用瞭強化的冷卻系統，保證發動機更高的熱效率。