ミラーサイクル

工学において、ミラーサイクルは、内燃機関の一種で使用される熱力学サイクルです。ミラーサイクルは、アメリカの技術者ラルフ・ミラーによって特許が取得され、 1957年12月24日付けの米国特許2,817,322を取得しました。エンジンは2ストロークまたは4ストロークで、ディーゼル燃料、ガス、またはデュアル燃料で稼働します。^[1]アトキンソンサイクルの性能損失を補うために、スーパーチャージャーまたはターボチャージャーを使用します。

このタイプのエンジンは、最初は船舶や定置型発電所で使用されていましたが、現在ではGE PowerHaulなどの一部の鉄道機関車に使用されています。マツダは、ミレニアセダンやユーノス800セダン（オーストラリア）の高級車に使用されているKJ-ZEM V6に採用しました。スバルは、ミラー サイクルのフラット4とハイブリッドドライブラインを組み合わせ、スバルB5 -TPHとして知られるコンセプト「ターボパラレルハイブリッド」カーを開発しました。日産は、可変吸気バルブタイミングを備えた小型3気筒エンジンを発表しました。このエンジンは、低負荷時にはアトキンソンサイクル（したがって、出力密度が低いことはハンディキャップではない）で動作し、軽いブースト時にはミラーサイクルで動作すると主張しています。

従来の往復式内燃エンジンは4 つのストロークを使用しますが、そのうち 2 つは高出力であると考えられます。圧縮ストローク (クランクシャフトからチャージへの高出力フロー) とパワー ストローク (燃焼ガスからクランクシャフトへの高出力フロー) です。

ミラー サイクルでは、吸気バルブはオットー サイクルエンジンよりも長く開いたままになります。実際、圧縮行程は 2 つの個別のサイクルです。つまり、吸気バルブが開いている最初の部分と、吸気バルブが閉じている最後の部分です。この 2 段階の圧縮行程により、ミラー サイクルで導入されるいわゆる「5 番目」の行程が作成されます。ピストンが従来の圧縮行程で最初に上昇すると、まだ開いている吸気バルブからチャージが部分的に排出されます。通常、このチャージ空気の損失により、パワーが失われます。ただし、ミラー サイクルでは、スーパーチャージャーを使用してこれを補います。スーパーチャージャーは、比較的低いエンジン速度でブーストを生成できるため、通常、容積式 (ルーツ式またはスクリュー式) である必要があります。そうでない場合、低速パワーが低下します。代わりに、低速動作が必要ない場合は、ターボチャージャーを使用して効率を高めるか、電気モーターで補うことができます。

ミラーサイクルエンジンでは、ピストンは吸気バルブが閉じた後にのみ燃料と空気の混合気を圧縮し始めます。そして、吸気バルブは、ピストンが最下点から一定の距離、つまりこの上昇行程のピストン総移動量の約 20 ～ 30% を移動した後に閉じます。そのため、ミラーサイクルエンジンでは、ピストンが実際に燃料と空気の混合気を圧縮するのは、圧縮行程の後半の 70 ～ 80% の間だけです。圧縮行程の最初の部分では、ピストンは燃料と空気の混合気の一部をまだ開いている吸気バルブを通して押し出し、吸気マニホールドに戻します。

給気はスーパーチャージャーを使用して圧縮され（インタークーラーで冷却され）、エンジンサイクルに必要な圧力よりも高い圧力になりますが、吸気バルブの適切なタイミングによってシリンダーの充填量が減ります。したがって、空気の膨張とそれに伴う冷却はシリンダー内と部分的に吸気口で発生します。空気/燃料の給気温度を下げると、シリンダー/ピストンの圧縮関係を高めるなどの大きな変更を加えずに、特定のエンジンの出力を上げることができます。サイクルの開始時に温度が低い場合、圧力が変化することなく空気密度が増加します（エンジンの機械的限界がより高い出力にシフトします）。同時に、サイクルの平均温度が低いため、熱負荷限界がシフトします。^[2]

これにより、点火時期をデトネーション開始前に通常許容されるよりも早めることができ、全体的な効率がさらに向上します。最終充填温度が低いことのもう 1 つの利点は、ディーゼル エンジンの NOx 排出量が減少することです。これは、船舶や発電所の大型ディーゼル エンジンの重要な設計パラメータです。^{[引用が必要]}

同じ有効圧縮比でより大きな膨張比を持つことで効率が向上します。これにより、膨張するガスがほぼ大気圧まで膨張するため、膨張するガスからより多くの仕事を引き出すことができます。通常の火花点火エンジンでは、スロットルを大きく開いたサイクルの膨張行程の終わりに、排気バルブが開いたときにガスは約 5 気圧になっています。行程は圧縮行程に制限されるため、ガスからいくらかの仕事を引き出すことができます。ミラー サイクルで吸気バルブの閉じを遅らせると、膨張行程に比べて圧縮行程が短くなります。これにより、ガスを大気圧まで膨張させることができ、サイクルの効率が向上します。

容積式スーパーチャージャーを使用する利点には、寄生負荷によるコストが伴います。スーパーチャージャー付きエンジンによって生成される電力の約 15 ～ 20% は、通常、吸入チャージを圧縮するスーパーチャージャーの駆動作業 (ブーストとも呼ばれます) に必要です。一方、寄生負荷という点ではターボチャージャーはそれほど高くありませんが、排気ガスによるタービンのスプールアップにより、エンジンは低い RPM でアトキンソン サイクルに陥ります。この矛盾は、原理的にはフォーミュラ 1で使用されたMGU-Hなどの技術で対処できますが、これは市販のエンジンに実装されたことはなく、アトキンソン サイクル エンジンに特化したものはほとんどありません。

このサイクルの主な利点は、膨張比が圧縮比よりも大きいことです。外部過給後に中間冷却を行うことで、ディーゼルの NOx 排出量や火花点火エンジンのノッキングを削減できます。ただし、システム効率の向上と摩擦 (排気量が大きいため) に関する複数のトレードオフを、すべてのアプリケーションでバランスを取る必要があります。

上記の概要はミラーサイクルの現代版を説明しているが、1957 年の特許とはいくつかの点で異なっている。特許は「過給式インタークールドエンジンを作動させる新しい改良法」を説明している。エンジンは 2 サイクルまたは 4 サイクルで、燃料はディーゼル、デュアル燃料、またはガスである。文脈から、「ガス」はガソリンではなくガス燃料を意味することは明らかである。図に示されている圧力チャージャーはターボチャージャーであり、容積式過給機ではない。エンジン (4 ストロークまたは 2 ストローク) には従来のバルブまたはポートレイアウトがあるが、追加の「圧縮制御バルブ」(CCV) がシリンダーヘッドにある。吸気マニホールド圧力によって作動するサーボ機構は、圧縮ストロークの一部で CCV のリフトを制御し、シリンダーから排気マニホールドに空気を放出する。CCV は、全負荷時に最大リフト、無負荷時に最小リフトとなる。その結果、可変圧縮比のエンジンが生成される。吸気マニホールド圧力が上昇すると（ターボチャージャーの作用により）、シリンダー内の有効圧縮比は低下します（CCVのリフトが増加するため）。逆もまた同様です。これにより、「軽負荷での燃料の適切な始動と点火が保証されます」。^[1]

同様の遅延バルブ閉鎖方式は、アトキンソンサイクルエンジンのいくつかの最新バージョンでも使用されていますが、過給はありません。これらのエンジンは、効率が目標であり、ミラーサイクルと比較して失われたパワーを電気モーターの使用によって補うハイブリッド電気自動車に一般的に使用されています。 ^[3]