Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TWO-STROKE ENGINE 

TIMING DIAGRAMS 

EXPLAINED 

HANDBOOK 

Second Edition, 2026 

Join our newsletter if you want free access to more 

engineering PDFs like this one.

 

 saVRee ltd, 71-75 Shelton Street, Covent Garden, WC2H 9JQ, London  www.saVRee.com  contact@savree.com 

Copyright © 2026 by saVRee ltd | All rights reserved. This publication or any portion thereof may not be 

reproduced or used in any manner whatsoever without the express written permission of the publisher (v2e). 

 

 

Table of Contents 

Introduction............................................................................................................1 

Timing Diagram Purpose......................................................................................1 

Timing Diagram Reference Points.......................................................................2 

Two Stroke Engine Timing Diagram General Overview.....................................2 

Main Phases...........................................................................................................3 

 Marine Slow Speed Two Stroke Engine Cycle.....................................................4 

Exhaust Timing.......................................................................................................4 

Scavenge Timing....................................................................................................5 

Air Supply and Charging........................................................................................6 

Port and Valve Overlap..........................................................................................6 

Fuel Injection and Combustion Timing...............................................................7 

Reading a Two-Stroke Timing Diagram...............................................................7 

 

 

 

 

Introduction 

Two-stroke engine timing diagrams show when key events occur in relation to crankshaft 

rotation and piston movement. Unlike four-stroke engines, which use mechanically operated 

valves, two-stroke engines use different methods to control gas flow. Some rely on ports 

uncovered and covered by the piston, others rely on cylinder-head valves, whilst others utilize a 

mixture of both ports and valves. 

Timing diagrams help visualize how intake, compression, combustion, exhaust, and scavenging 

overlap within a single 360 degree crankshaft revolution. Although timing diagrams can be used 

for all two-stroke engine designs, this article focuses only on slow speed marine diesel engines 

and their associated timing diagrams. 

Timing Diagram Purpose 

A two-stroke engine completes a full operating cycle in one crankshaft revolution, or 360 

degrees of rotation. A timing diagram maps significant events -such as port opening and closing 

times- onto this rotation, using the crankshaft angle as reference. 

 

Simplified Two-Stroke Engine Timing Diagram 

Because multiple processes occur almost simultaneously in a two-stroke engine, timing 

diagrams are essential for understanding how fresh charge enters the cylinder, how exhaust 

gasses are discharged, and how these events are coordinated to produce continuous power. 

www.saVRee.com

Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained | pg 1 

 

Timing Diagram Reference Points 

Timing diagrams are drawn against the crankshaft angle, with 360 degrees representing one 

complete cycle. The two key piston positions are top dead center (TDC), where the piston 

reaches its highest point, and bottom dead center (BDC), where the piston reaches its lowest 

point. 

 

Top Dead Center (TDC) and Bottom Dead Center (BDC) 

The BDC and TDC positions divide the cycle into upward and downward piston movement, 

however, most events occur before or after these reference points to take advantage of gas 

flow inertia and pressure differences within the system. 

Two Stroke Engine Timing Diagram General Overview 

The below diagram shows the timing events of a large marine two-stroke diesel engine during 

one crankshaft revolution. 

www.saVRee.com

Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained | pg 2 

 

 

Two-Stroke Engine Timing Diagram 

Main Phases: 

●Expansion / Power stroke (0-120°): 

■Begins just after combustion (near TDC).  

■Expanding gasses force the piston downward towards BDC.  

●Exhaust period (120-240°): 

■As the piston nears BDC, the exhaust valve opens (EVO) about 60° before BDC.  

■Burnt gasses begin leaving the cylinder.  

■The exhaust valve remains open after BDC and closes at EVC, about 60° after BDC.  

●Scavenging period (138-222°): 

■The scavenge ports open (SPO) about 42° before BDC.  

■Pressurized scavenge air enters the cylinder and pushes exhaust gasses out via the 

exhaust gas valve.  

■The scavenge ports close at SPC, about 42° after BDC.  

●Compression stroke (240-360°): 

■After the scavenge ports and exhaust valve close, the piston moves upward towards 

TDC and compresses the air trapped in the cylinder. 

www.saVRee.com

Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained | pg 3 

 

●Fuel Injection (345-20°): 

■Near the end of compression, fuel is injected just before TDC.  

■Fuel Injection Start (FIS) occurs about 15° before TDC.  

■Fuel Injection End (FIE) occurs about 20° after TDC. 

The exact degree positioning of each event depends upon the engine design. For example, some 

engines may inject fuel later than 15 before TDC°.  

A more detailed description of the entire two-stroke engine cycle is given in the next section. 

Marine Slow Speed Two Stroke Engine Cycle 

Exhaust Timing 

In a large marine two-stroke diesel engine, the exhaust valve is typically the first component to 

open during the downward power stroke. As the piston approaches bottom dead center, the 

hydraulically or mechanically actuated exhaust valve opens in the cylinder cover, allowing 

high-pressure combustion gasses to discharge into the exhaust receiver; this rapid release of 

pressure reduces cylinder pressure before scavenging air enters. 

Good to know - You can access the Diesel Engine Fundamentals 1 and Diesel Engine Fundamentals 2 

courses along with over 100 hours of additional engineering video lessons and tutorials. 

 

Marine Engine Exhaust Gas Valve 

The exhaust valve remains open through the lower part of the stroke and closes after the piston 

has started to rise on the compression stroke, according to the engine’s valve timing arrangement. 

www.saVRee.com

Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained | pg 4 

 

Scavenge Timing 

After the exhaust valve opens, the scavenge ports in the cylinder liner are uncovered by the 

descending piston. Pressurized scavenge air, supplied by turbochargers or auxiliary blowers, 

then enters the cylinder through these ports. 

Scavenge timing is carefully arranged so that exhaust gasses have already begun leaving the 

cylinder before fresh air enters; this promotes efficient cylinder clearing and charging. The 

incoming air sweeps the remaining exhaust gasses upward toward the open exhaust valve, 

preparing the cylinder for the next cycle. 

 

Intake Ports (bottom) and Exhaust Valve (top) 

The scavenge ports close as the piston rises from bottom dead center, whilst the exhaust valve 

closes slightly thereafter; this sequence improves cylinder charging efficiency and reduces the 

loss of fresh air into the exhaust system. 

Good to know - in large marine engines, the scavenging process is usually a uniflow scavenging process 

because air enters through ports at the lower end of the cylinder and exits through the exhaust valve at 

the top. There are three main types of scavenging modes used by piston engines: cross-flow, uniflow, 

and loop-flow. 

www.saVRee.com

Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained | pg 5 

 

 

Engine Scavenging Modes 

Air Supply and Charging 

Fresh air is compressed externally by the turbocharger compressor. At low engine loads, 

electrically driven or mechanically driven auxiliary blowers also supply air; this compressed 

air is delivered to the scavenge air receiver, then distributed to each cylinder through the 

scavenge ports when uncovered by the piston. 

As the piston moves towards top dead center, it passes and closes the scavenge ports, causing the 

trapped air charge to be compressed within the cylinder. Cylinder pressure and temperature 

then increase rapidly until conditions are suitable for fuel injection and auto-ignition. 

Good to know - unlike small crankcase-scavenged two-stroke engines, a large marine diesel engine does 

not use the crankcase to compress intake air. Large marine engines only draw fresh air in via the 

scavenge ports, they do not draw an air/fuel mixture, like is common for small two-stroke engines. 

Port and Valve Overlap 

Timing diagrams for large marine two-stroke engines show that the exhaust valve and scavenge 

ports are open simultaneously for a short period of time around bottom dead center; this overlap 

is essential for effective scavenging. 

During this period, incoming scavenge air pushes the remaining exhaust gasses upward and out 

through the exhaust valve. Correct overlap timing improves gas exchange, reduces residual 

exhaust contamination, and increases combustion efficiency. 

Poor engine timing may lead to excessive fresh air passing directly into the exhaust system, 

consequently reducing engine efficiency. Alternatively, if poor timing causes too little air to be 

supplied, exhaust gas may remain within the cylinder and a resultant reduction in engine power 

will occur. 

 

www.saVRee.com

Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained | pg 6 

 

Fuel Injection and Combustion Timing 

Large marine two-stroke engines are compression-ignition engines, so there is no spark 

ignition system (no spark plug). Instead, fuel is injected directly into the cylinder near the end of 

the compression stroke. The fuel atomizes, mixes with the hot compressed air, and auto-ignites. 

Timing diagrams are used to show the start of injection and end of injection. Fuel injection 

begins shortly before top dead center so that peak cylinder pressure occurs just after top 

dead center during the power stroke; this allows the expanding combustion gasses to act on the 

piston when the crankshaft geometry is most favorable for producing torque (a form of power). 

If peak pressure occurs too early before top dead center, the piston will be forced upward against 

the rising pressure; this creates mechanical stress, rough running, and reduced overall engine 

efficiency. 

Good to know - excessively early combustion can produce sharp pressure rises and a metallic knocking 

sound, often referred to as 'knock' or 'diesel knock'. 

 

Marine Slow Speed Two-Stroke Engine 

Reading a Two-Stroke Timing Diagram 

When reading a two-stroke timing diagram, focus on the sequence and duration of port and valve 

openings rather than the separate strokes. Small changes in port height or piston geometry can 

significantly affect timing, impacting power, efficiency, and emissions. Short durations with early 

exhaust port closing favor low to mid RPM torque, while longer durations with late exhaust port 

closing produce high RPM power. Comparing diagrams makes it possible to understand the 

engine’s intended RPM range and application. 

www.saVRee.com

Two-Stroke Engine Timing Diagrams Explained | pg 7