Cho đến cuối thế kỷ 20, hầu hết các loại xe sản xuất được trang bị động cơ đốt trong đánh lửa bằng tia lửa điện đều sử dụng chu trình piston bốn kỳ kiểu Otto truyền thống. Động cơ bốn kỳ này có bốn giai đoạn riêng biệt trong một chu trình – nạp, nén, đốt cháy (nổ) và xả – và mỗi giai đoạn tương ứng với một hành trình pít-tông lên/xuống đầy đủ bên trong xi-lanh.
Chu trình bắt đầu với hành trình piston đi xuống, hút hỗn hợp không khí và nhiên liệu hóa hơi qua van nạp mở vào buồng đốt. Hành trình hướng lên của pít-tông quay trở lại nén hỗn hợp này xuống còn khoảng một phần mười thể tích của nó, tại thời điểm đó, nó được đánh lửa bởi bugi. Sự bùng nổ này sẽ đốt cháy nhiên liệu và đẩy piston đi xuống trong một hành trình tạo lực đẩy cho động cơ. Hành trình hồi lưu cuối cùng của chu trình xả sạch khí cháy qua van xả để quá trình có thể bắt đầu lại.
Chu trình nhiệt động tương đối đơn giản này có tỷ số nén và giãn nở bằng nhau trong mỗi xilanh. Nhưng mặc dù nó tạo ra công suất thỏa mãn từ bất kỳ chuyển vị nào cho trước, chu trình Otto không phải là cách tạo ra năng lượng tiết kiệm nhiên liệu nhất.
Năm 1882, một kỹ sư người Anh tên là James Atkinson đã phát triển và được cấp bằng sáng chế cho một chu trình bốn kỳ sửa đổi sử dụng hành trình pít-tông có chiều dài thay đổi và đóng van nạp trễ để tăng hiệu suất, và được gọi là chu trình Atkinson.
Mặc dù thiết kế này rất hiệu quả và cực kỳ thông minh, nhưng xét về mặt tài chính thì rất khó khăn để sản xuất hàng loạt. Các liên kết cơ học phức tạp là cần thiết để đạt được các độ dài hành trình khác nhau từ một vòng quay duy nhất của trục khuỷu, trong khi lợi ích về hiệu suất chỉ có thể đạt được với chi phí của một số công suất. Vì những vấn đề này, thiết kế khéo léo của Atkinson phần lớn đã bị lãng quên trong suốt 100 năm qua.
Tuy nhiên, với sự ra đời của công nghệ điều khiển van biến thiên, các kỹ sư của Toyota nhận ra rằng họ có thể tạo ra chất lượng tiết kiệm nhiên liệu quan trọng nhất của chu trình Atkinson – sự đóng trễ của van nạp trong hành trình nén – thông qua các phương tiện phi cơ học; truyền động thuỷ lực về vị trí trục cam.
Công nghệ này cho phép Toyota chế tạo động cơ chu trình Otto đầu tiên trên thế giới với hoạt động mô phỏng van kiểu Atkinson để cải thiện đáng kể hiệu suất nhiên liệu. Được biết đến với tên gọi nội bộ là 1NR-FXE, động cơ xăng 4 xi-lanh 1.5 lít đã được lắp đặt trên Toyota Prius 1997 và kết hợp với Hệ thống Toyota Hybrid mới (hiện được gọi là Hybrid Synergy Drive).
Việc sử dụng động cơ điện để hỗ trợ động cơ xăng đã giải quyết được tình trạng thiếu hụt đặc tính công suất của chu trình Atkinson, đồng thời cung cấp một nguồn động lực độc lập để động cơ có thể tắt khi có thể. Bởi vì, phương pháp tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả nhất là không để động cơ hoạt động ngay từ đầu.
Sự kết hợp thành công giữa động cơ chu trình Atkinson mô phỏng với hệ thống truyền động hybrid điện mà mọi mẫu xe hybrid xăng-điện của Toyota và Lexus sản xuất kể từ chiếc Prius thế hệ đầu tiên đều sử dụng cùng một kiến trúc tiết kiệm nhiên liệu.
