與傳統的發動機循環相比，阿特金森循環的特點是作功沖程比壓縮沖程長，也就是我們常說的膨脹比大于壓縮比。更長的作功沖程可以更有效地利用燃燒后廢氣的殘余高壓，因此燃油效率比傳統發動機更高。只要明白這一點，阿特金森循環就明白了70%。

1882年，詹姆斯阿特金森發明了一種發動機。與當時的奧托循環發動機不同，這種發動機的活塞排量在壓縮沖程和做功沖程時是不同的。眾所周知，發動機的工作過程分為四個階段：進氣、壓縮、做功和排氣。傳統發動機四個階段的活塞沖程是一樣的，但是阿特金森循環是如何在壓縮和做功階段實現不同的沖程的？

阿特金森發動機采用復雜的連桿作為活塞到曲軸的動力輸出，實際活塞行程如下圖所示(阿特金森發動機活塞行程較長，動畫中未顯示)。

這個設計很巧妙。不同的連桿機構共同作用，使每個沖程范圍不同，不僅有效改善了進排氣情況，而且阿特金森發動機最大的特點就是膨脹比大于壓縮比。更長的膨脹沖程可以更有效地利用燃燒后廢氣中仍然存在的高壓，因此燃油效率高于奧托循環。

但是這樣復雜的結構不容易實現，后期維護成本也高。但它的節油特性滿足了目前人們的需求，所以很多廠家用發動機氣門相位調節器來控制進氣門的延遲關閉，而不是用復雜的連桿機構，讓發動機的進氣門在進氣沖程結束后保持開啟一段時間，從而把一部分吸入的混合氣吐出來，更簡單的實現膨脹比大于壓縮比的效果，模擬阿特金森循環工況，達到節油的效果。下圖是模擬阿特金森循環的示意圖。

然而，阿特金森發動機也有兩個突出的缺點：

一是低速時，進氣被向上的活塞推出，進氣不足，動力不足；

第二，在高速的情況下，相對較長的膨脹行程會影響速度的增加，加速不給力。

然而，這兩個"缺點"只能被混合動力車使用。這是因為混合動力汽車在車輛起步階段由電動機驅動，電動機低速扭矩大，使車輛加速迅速，以彌補阿特金森循環發動機的動力不足。中高速勻速行駛時，阿特金森循環發動機熱效率高，能提高燃油經濟性，所以市面上的混合動力汽車都采用阿特金森循環發動機。