米勒循环发动机（Miller cycle engine）是一种以奥托循环（Otto cycle）为基础的机械增压（supercharger）四冲程发动机。米勒循环是由美国机械工程师罗尔夫·米勒（Ralph Miller）于1940年代取得专利发明，但一直到1990年代日本的马自达将其应用在旗下的大型房车系列Millenia之上后，此款发动机设计才开始广为世人所熟知。
一般奥托循环发动机的工作原理为：
而米勒循环的不同之处：在进气冲程时活塞运动到下死点，但进气门保持开放同时活塞进行压缩。直到曲轴通过活塞的下死点后70度，进气门才关闭。简单地说就是在压缩冲程（compression stroke）中，先延迟进气门关闭的时间，活塞在汽缸里上升约五分之二容积时，才完全封闭进气门。所以有部分在汽缸的气体会重新进入进气歧管，并在机械增压（supercharger）的作用下保持气压，故下一次的进气冲程中可提高进气效率且减少泵压损失（pumping loss）。可是这样也造成实际上的压缩空气没有比进气时的多，而降低压缩比。然而在点火冲程中，活塞仍旧由上死点移动至下死点，造成膨胀比大于压缩比的特殊状况。压缩比较小所以油耗低，膨胀比大所以动力大，另一方面也为了避免过高的压缩比引起发动机的爆震（提前点火）。
为了改良代号KJ-ZEM型的米勒循环发动机在低转速时进气不足的问题，马自达加装了一具由日本石川岛播磨重工业制造、附有电子增压控制器的双螺管机械增压器（Lysholm supercharger），最高增压值1.5bar。利用机械增压的内压及活塞向上运动的外压对冲，比单纯的活塞做功提高了15%的效率。也因此马自达的米勒循环发动机系统能以2.3L的排气量达到3.0L的马力输出，而且此发动机到达高转速时，增压效率更是惊人。
马自达汽车的KJ-ZEM型米勒循环发动机最大马力220ps / 5,500rpm，最大扭力30kg-m / 3,500rpm，多气门加上摆式汽缸的设计使得汽油和空气在大空间里能混合得更均匀。此外，还有一套多变共振进气系统（Variable Resonance Induction System，缩写成VRIS），可在不同的转速时配合不同阀门的开关来决定共振的范围，使得发动机转速由低至高皆有平坦而高扭力的输出曲线。此具KJ-ZEM型发动机曾于1995年至1998年连续四年获选为华德十大最佳汽车发动机（Ward's 10 Best Engines），并获得日本财团法人汽车技术会的“技术240选”。
虽然这种米勒循环发动机号称能够省油15%至20%，但实际驾驶状况比实验状况还要严苛，加上安装机械增压器之后反而提高了造车成本，所以马自达仅在Millenia这款车使用KJ-ZEM型发动机而已。
马自达新开发的1.3L ZJ-VEM型米勒循环发动机，是以现有1.3L DOHC铝合金MZR型发动机为原型，延迟进气阀门的关闭时间，提升进气效率，减少泵压损失（pumping loss），提高热效率（高膨胀比），故不再需要机械增压器。此型发动机采自然进气，搭载在第三代马自达2，可输出最大马力90ps / 6,000rpm，扭力峰值120N·m / 4,000rpm。
本田搭载于第八代本田Civic和第二代本田Stream上的R18A型与R20A型发动机也是沿用和米勒循环近似的概念。在传统的汽油发动机里，油门踏板与节气门之间以钢缆连结，但前述两种车款却改为电子油门。在巡航与平稳转速的状态（本田称之为“经济模式economic mode”，转速约2,000 ~ 3,500rpm间）下，凸轮轴使进气门延迟关闭并大幅开启节气门，此时发动机的动力输出相当高。由于进气门延迟关闭，大约1/5的混合油气暂时排出燃烧室，减少不必要的输出而改善燃油经济性。因进气门与节气门同时作动，降低了泵压损失（pumping loss）和稀薄燃烧（lean burn）。这1/5的混合油气被推回进气岐管，造成膨胀比大于压缩比的特殊状况，故类似米勒循环的原理。
此具搭载于欧规第四代日产Micra上的1.2L直列三缸HR12DDR型发动机，技术授权来自马自达。同样透过延迟进气阀门的关闭时间，使发动机的膨胀比大于实际压缩比，如此一来便以较少的油耗完成更大的动力输出。再者，其机械增压系统搭配一组能自动启闭的离合器，在车子低速行驶时能自动关闭机械增压系统，减少发动机的燃油消耗。为了降低活塞和汽缸壁之间的摩擦力，日产汽车使用“DLC脱氢类钻石镀膜技术”（diamond-like carbon film technology）。另外再搭配DIG-S缸内直喷技术（Direct Injection Gasoline之缩写）、怠速熄火系统等装置，不但让此具发动机兼具动力输出（最大马力98ps、扭力峰值142N·m）和油耗表现，甚至拥有95g/km的低二氧化碳排放量。
2016年4月28日开幕的第37届维也纳国际汽车研讨会（37th International Vienna Motor Symposium）中，大众汽车发表采用米勒循环原理搭配高压缩比12.5：1设定的EA211 TSI evo型发动机，以取代现行1.4L TSI型发动机。此具排气量1,498c.c.可区分150匹与130匹马力等两种版本，前者之详细规格尚未公开；后者在4,750rpm - 5,500rpm的区间持续供应128.7hp之最大马力，最大扭力20.4kg·m则在1,300rpm - 4,500rpm之转速间出现。新开发燃油直喷系统之喷射压力达350bar，具有更佳的燃油雾化效果及燃烧效率。新加入VTG可变几何涡轮（Variable Turbine Geometry）技术，在低转速负载大时变化内部叶片角度，加速涡轮运行速度提供足够加压力供给发动机压缩气体；而高转排气力道足够推动涡轮时，内部叶片角度亦可再次切换。除了发动机本体以铝合金打造，汽缸衬套（cylinder liner）也镀上APS特殊涂层（Atmospheric Plasma Spray），可降低发动机运行阻力及机件磨损，亦有助于散热效果。
此具涡轮增压发动机采用改良式米勒循环发动机原理，燃烧室完全进气时气门扬程为170度，故发动机转速1,400rpm开始可达最大扭力32.7kg·m。部分进气时（大众称之为“B循环”）气门扬程为140度，基于压缩比和膨胀比间的差异，让进气门提早关闭，汽缸接收到相对较少的吸入空气。在燃料喷射与点燃时，可比常规循环让燃烧气体具有更大的膨胀空间，借此提高燃烧效率并减少污染。
