ミラーサイクル
ミラーサイクル（Miller cycle）とは、ピストン式内燃機関における熱効率改善を目指した運転サイクルの名称です。これは、理論上のアトキンソンサイクルが持つ高効率という特徴を、実際のエンジンの吸気バルブ制御によって模擬的に実現しようとする手法といえます。この技術は、1947年にこれを最初に提案した技術者、ラルフ・H・ミラーの名に由来しています。
一般的なガソリンエンジンやディーゼルエンジンで用いられるオットーサイクルやディーゼルサイクルでは、燃焼後の混合気をどれだけ大きく膨張させるかを示す「膨張比」を高くするほど、理論上の熱効率は向上します。理想的には、シリンダー容積に対する圧縮前の容積の比である「圧縮比」と膨張比は等しい方が有利となります。しかし、実際のエンジンにおいて圧縮比を極端に高く設定すると、ガソリンエンジンでは混合気が異常燃焼を起こす「ノッキング」が発生しやすくなったり、ディーゼルエンジンでも燃焼圧力が過度に上昇して機関の各部に高い機械的強度が求められたりするといった問題が生じます。
ミラーサイクルでは、これらの課題を克服し、高い効率と安定した燃焼を両立させるために、吸気行程におけるバルブの開閉タイミングを通常とは異なるように設定します。具体的には、吸気バルブを通常より早いタイミングで閉じる「早閉じ」や、ピストンが圧縮行程に入った後も吸気バルブを開き続ける「遅閉じ」といった手法を用います。これにより、シリンダー内に充填される空気の量を調整し、実際の膨張比は高いままに、燃焼直前の実質的な圧縮比（有効圧縮比）を見かけ上低く抑えることが可能となります。この「有効圧縮比を下げる」という点が、ノッキング防止や機関強度設計の負担軽減に繋がり、同時に高い膨張比による効率向上効果を得ることができます。
吸気バルブの早閉じと遅閉じにはそれぞれ固有の長所と短所が存在し、どちらがより優れているかはエンジンの種類や運転条件によって異なります。単純なポンピングロスや機械的な抵抗だけを見れば一方の手法が有利に見えても、実際の燃焼状態への影響を含めて総合的に評価する必要があります。
特に過給機を備えたエンジンでは、ノッキングを防ぐために圧縮比を自然吸気エンジンよりも低く設定する必要があり、これが熱効率の低下を招く要因となります。ミラーサイクルを適用することで、膨張比は高く維持しつつ圧縮比のみを効果的に下げられるため、熱効率の低下を最小限に抑えることが可能です。例えば、マツダがユーノス800/ミレーニアに搭載したKJ-ZEMエンジンは、過給機（リショルム・コンプレッサ）と組み合わせたミラーサイクルの代表的な適用例でした。ただし、その後のデミオに採用されたミラーサイクルエンジンは過給機を持っていませんでした。
一方、自然吸気エンジンにおいても、さらなる熱効率向上を目指してミラーサイクルが用いられることがあります。この場合、高い膨張比を得るために物理的な圧縮比（膨張比）を高く設定し、ミラーサイクルによって有効圧縮比を下げるアプローチがとられます。自動車分野では、ハイブリッドカーに搭載されるエンジンに多く採用されており、トヨタのプリウスのエンジンなどがその典型例です。また、ホンダの一部エンジンでは、特定の運転領域（低回転・部分負荷時）で吸気バルブを遅閉じすることで、吸気量を減らし、吸気絞りによる抵抗（ポンピングロス）を低減し、熱効率を高める手法が用いられていました。
かつて国内の自動車用ミラーサイクルエンジンは自然吸気が主流でしたが、近年ではスーパーチャージャーなどの過給機と組み合わせた例も登場しています（日産HR12DDRなど）。また、直噴ターボエンジンにおいても、可変バルブタイミング機構を活用してミラーサイクル運転領域を作り出すものが増えています。
近年のエンジンでは、可変バルブタイミング機構（VVTなど）の進化がミラーサイクルの適用範囲を広げています。特に吸気カムの作用角を広く設定し、可変バルブタイミング機構で吸気バルブの閉じタイミングを連続的あるいは段階的に調整することで、エンジンの負荷や回転数に応じて最適な有効圧縮比を得られるようになりました。これにより、ミラーサイクル特有の課題が軽減され、実用性が向上しています。一部には、カム切り替え機構を用いてカムプロフィール自体を運転状況に合わせて変更することで、ミラーサイクル運転を実現する例もあります。
また、ミラーサイクルエンジンと明示的に謳われていない一般的なエンジンでも、可変バルブタイミング機構の制御により、特定の低負荷域などで吸気バルブの遅閉じを行い、ポンピングロスの低減を目的とした部分的なミラーサイクル運転を行っているケースがあります。ただし、吸気バルブの閉じ時期を遅くしすぎるとエンジンの始動性が悪化するため、これに対応するための工夫（例えば、中間ロック機構など）が施されている例も見られます。
可変バルブタイミング機構のさらなる発展、特に電動式の制御性の高いシステムの普及により、現代のエンジンではオットーサイクルとミラーサイクルを運転状況に応じて緻密に切り替える、あるいは連続的に制御することが可能となっています。これらのエンジンは、高い膨張比による高効率を持ちながらも、過給機に頼らず同等排気量のオットーサイクルエンジンに匹敵する出力や、ハイブリッドシステムによるアシストがなくても十分なドライバビリティを実現しており、単独のパワートレインとして運用できるものが増えています。これらのエンジンは、状況によって最適なサイクルを選択するため、「ミラー/オットーサイクルの可変エンジン」とも表現できるでしょう。
なお、一部の自動車メーカー（主にトヨタのハイブリッド車や一部ガソリン車、現在ではホンダなども）では、ミラーサイクルの高膨張比エンジンを「アトキンソンサイクルエンジン」と呼称していますが、ミラーサイクルとアトキンソンサイクルは得られる効果が類似しているものの、理論的な機構や実現方法は異なるため、厳密には同義ではない点に留意が必要です。
自動車分野を中心に多くのエンジンで採用されており、高い熱効率が求められるコジェネレーションシステムなどにも応用されています。国内外の様々な自動車メーカーがミラーサイクル技術を採用したエンジンを開発・製造しており、燃費性能向上や排出ガス削減に貢献しています。
一般的なガソリンエンジンやディーゼルエンジンで用いられるオットーサイクルやディーゼルサイクルでは、燃焼後の混合気をどれだけ大きく膨張させるかを示す「膨張比」を高くするほど、理論上の熱効率は向上します。理想的には、シリンダー容積に対する圧縮前の容積の比である「圧縮比」と膨張比は等しい方が有利となります。しかし、実際のエンジンにおいて圧縮比を極端に高く設定すると、ガソリンエンジンでは混合気が異常燃焼を起こす「ノッキング」が発生しやすくなったり、ディーゼルエンジンでも燃焼圧力が過度に上昇して機関の各部に高い機械的強度が求められたりするといった問題が生じます。
ミラーサイクルでは、これらの課題を克服し、高い効率と安定した燃焼を両立させるために、吸気行程におけるバルブの開閉タイミングを通常とは異なるように設定します。具体的には、吸気バルブを通常より早いタイミングで閉じる「早閉じ」や、ピストンが圧縮行程に入った後も吸気バルブを開き続ける「遅閉じ」といった手法を用います。これにより、シリンダー内に充填される空気の量を調整し、実際の膨張比は高いままに、燃焼直前の実質的な圧縮比（有効圧縮比）を見かけ上低く抑えることが可能となります。この「有効圧縮比を下げる」という点が、ノッキング防止や機関強度設計の負担軽減に繋がり、同時に高い膨張比による効率向上効果を得ることができます。
吸気バルブの早閉じと遅閉じにはそれぞれ固有の長所と短所が存在し、どちらがより優れているかはエンジンの種類や運転条件によって異なります。単純なポンピングロスや機械的な抵抗だけを見れば一方の手法が有利に見えても、実際の燃焼状態への影響を含めて総合的に評価する必要があります。
特に過給機を備えたエンジンでは、ノッキングを防ぐために圧縮比を自然吸気エンジンよりも低く設定する必要があり、これが熱効率の低下を招く要因となります。ミラーサイクルを適用することで、膨張比は高く維持しつつ圧縮比のみを効果的に下げられるため、熱効率の低下を最小限に抑えることが可能です。例えば、マツダがユーノス800/ミレーニアに搭載したKJ-ZEMエンジンは、過給機（リショルム・コンプレッサ）と組み合わせたミラーサイクルの代表的な適用例でした。ただし、その後のデミオに採用されたミラーサイクルエンジンは過給機を持っていませんでした。
一方、自然吸気エンジンにおいても、さらなる熱効率向上を目指してミラーサイクルが用いられることがあります。この場合、高い膨張比を得るために物理的な圧縮比（膨張比）を高く設定し、ミラーサイクルによって有効圧縮比を下げるアプローチがとられます。自動車分野では、ハイブリッドカーに搭載されるエンジンに多く採用されており、トヨタのプリウスのエンジンなどがその典型例です。また、ホンダの一部エンジンでは、特定の運転領域（低回転・部分負荷時）で吸気バルブを遅閉じすることで、吸気量を減らし、吸気絞りによる抵抗（ポンピングロス）を低減し、熱効率を高める手法が用いられていました。
かつて国内の自動車用ミラーサイクルエンジンは自然吸気が主流でしたが、近年ではスーパーチャージャーなどの過給機と組み合わせた例も登場しています（日産HR12DDRなど）。また、直噴ターボエンジンにおいても、可変バルブタイミング機構を活用してミラーサイクル運転領域を作り出すものが増えています。
近年のエンジンでは、可変バルブタイミング機構（VVTなど）の進化がミラーサイクルの適用範囲を広げています。特に吸気カムの作用角を広く設定し、可変バルブタイミング機構で吸気バルブの閉じタイミングを連続的あるいは段階的に調整することで、エンジンの負荷や回転数に応じて最適な有効圧縮比を得られるようになりました。これにより、ミラーサイクル特有の課題が軽減され、実用性が向上しています。一部には、カム切り替え機構を用いてカムプロフィール自体を運転状況に合わせて変更することで、ミラーサイクル運転を実現する例もあります。
また、ミラーサイクルエンジンと明示的に謳われていない一般的なエンジンでも、可変バルブタイミング機構の制御により、特定の低負荷域などで吸気バルブの遅閉じを行い、ポンピングロスの低減を目的とした部分的なミラーサイクル運転を行っているケースがあります。ただし、吸気バルブの閉じ時期を遅くしすぎるとエンジンの始動性が悪化するため、これに対応するための工夫（例えば、中間ロック機構など）が施されている例も見られます。
可変バルブタイミング機構のさらなる発展、特に電動式の制御性の高いシステムの普及により、現代のエンジンではオットーサイクルとミラーサイクルを運転状況に応じて緻密に切り替える、あるいは連続的に制御することが可能となっています。これらのエンジンは、高い膨張比による高効率を持ちながらも、過給機に頼らず同等排気量のオットーサイクルエンジンに匹敵する出力や、ハイブリッドシステムによるアシストがなくても十分なドライバビリティを実現しており、単独のパワートレインとして運用できるものが増えています。これらのエンジンは、状況によって最適なサイクルを選択するため、「ミラー/オットーサイクルの可変エンジン」とも表現できるでしょう。
なお、一部の自動車メーカー（主にトヨタのハイブリッド車や一部ガソリン車、現在ではホンダなども）では、ミラーサイクルの高膨張比エンジンを「アトキンソンサイクルエンジン」と呼称していますが、ミラーサイクルとアトキンソンサイクルは得られる効果が類似しているものの、理論的な機構や実現方法は異なるため、厳密には同義ではない点に留意が必要です。
自動車分野を中心に多くのエンジンで採用されており、高い熱効率が求められるコジェネレーションシステムなどにも応用されています。国内外の様々な自動車メーカーがミラーサイクル技術を採用したエンジンを開発・製造しており、燃費性能向上や排出ガス削減に貢献しています。
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