该循环在20世纪90年代由澳大利亚人M.B.比尔首次提出。二次膨胀循环的主要工作原理如图所示，包括6个冲程：前3个冲程（进气、压缩和燃烧做功冲程）与传统4冲程循环内燃机相同；第4冲程，排气门保持关闭，活塞上行的同时向气缸内喷入水，水吸收废热能后蒸发汽化形成水蒸气；第5冲程，水蒸气体积急剧膨胀，进而推动活塞第2次做功，这样内燃机每个循环中出现2个做功冲程，而没有增加燃油消耗；在第6冲程，排气门打开，活塞上行，废气和水蒸气混合气一起排出气缸，水蒸气重新冷凝成为水。

二次膨胀循环内燃机工作原理图

应用于内燃机余热回收的二次膨胀循环主要有如下优点：提高内燃机转速，改进低转速扭矩，减少油耗和有害气体排放；减少运动部件，降低机械噪声和制造成本。但同时也面临着一些问题：水蒸气对气缸有一定腐蚀，油水离开气缸后的分离问题，以及冷热交变应力会降低气缸使用寿命等。六冲程内燃机原型已经研制并处于全面的理论分析和实验测试阶段，以便高效地应用于内燃机余热回收。