Un moteur à 2 temps comporte un ou des pistons qui se déplacent dans les cylindres. Le déplacement du piston dans le cylindre par l’intermédiaire des conduits des lumières^[1] entre la partie basse du carter et la partie haute du cylindre permet d’évacuer les gaz brûlés et remplir le cylindre de gaz (vapeur de carburant et comburant) frais via la boîte à clapet.

Origine

S'inspirant des travaux de Paul Hugon, le premier moteur à deux temps a été conçu par l'ingénieur belge Étienne Lenoir en 1859^[2]. Ce moteur a été amélioré par l'ingénieur écossais Dugald Clerk en 1878.

Le moteur à deux temps dans une forme à peu près identique à ce que nous connaissons aujourd'hui a été conçu par un autre ingénieur anglais, Joseph Day, en 1889.

Le moteur Ixion est inventé en 1897 par Léon Cordonnier^[3] et marque les débuts du moteur à deux temps à distributeur rotatif^[4].

Cycle du moteur

Le cycle à deux temps d’un moteur à combustion interne diffère du cycle de Beau de Rochas en ayant un cycle de seulement deux mouvements linéaires du piston au lieu de quatre, bien que les mêmes quatre opérations (admission, compression, combustion/détente et échappement) soient toujours effectuées. On a ainsi un cycle moteur par tour au lieu d'un tous les deux tours pour le moteur à quatre temps. Le cycle se décompose ainsi^[5] :

1. Compression, combustion, détente puis échappement avec transfert du mélange combustible frais par la fenêtre de transfert^{[N 1]} ;
2. Admission, aspiration puis compression du mélange dans la partie basse du moteur^{[N 2]}.

Les différentes étapes sont les suivantes^[5] :

• le piston (5) est au point mort haut. La bougie déclenche la combustion et le piston descend en comprimant en même temps le mélange présent dans le carter (4), sous le piston. C'est la partie motrice du cycle, le reste du parcours sera dû à l'inertie créée par cette détente. Cette étape est la détente. Lors de cette descente du piston, l'entrée (6) du mélange dans le carter se ferme ;
• arrivé à proximité point mort bas (image « Admission et échappement »), le piston débouche les lumières d'échappement (2) et d'arrivée de mélange dans le cylindre (3) : le mélange en pénétrant dans le cylindre chasse les gaz de la combustion (zone 1 de l'image). Il s'agit de l'étape d'admission - échappement ;
• en remontant (image « Compression »), le piston compresse le mélange dans le cylindre. Au passage, il rebouche l'échappement (2) et l'entrée de mélange dans le cylindre (3), tout en créant une dépression dans le carter (4) qui va permettre l'arrivée du mélange air-essence par le conduit d'arrivée (6) dont l'entrée a été libérée par la position du piston proche du point mort haut. Cette étape est celle de « compression » ;
• une fois arrivé à nouveau au point mort haut, le cycle peut recommencer à partir du premier point.

Particularités

• Moteurs simples (pas de distribution, pas d'arbre(s) à cames ni de soupapes ; sauf cas particuliers dans certains moteurs Diesel industriels comme les Detroit Diesel Series 71) légers, avec peu de pièces en mouvement.
• Moteurs facilement reconnaissables par l'implantation basse de l'échappement et du carburateur sur le cylindre, et non sur la culasse.
• Puissance spécifique voisine de 1,7 fois celle d'un moteur quatre temps (il a fallu autoriser les quatre temps de 990 cm³ de cylindrée pour obtenir un équivalent des moteurs deux temps de 500 cm³ sur les motos de Grand Prix qui étaient très polluantes à cause de la combustion d'une partie de l'huile servant à la lubrification, mais aussi du fait de la demande des différents constructeurs qui ont fait pression sur la fédération internationale de motocyclisme).
• Consommation de carburant en rapport^{[N 3]}.
• Lubrification par mélange (huile dans l'essence) ou par injection d'huile (graissage séparé), d'où émission de fumée (à remarquer que les dernières normes relatives aux huiles deux temps imposent des émissions de fumée extrêmement faibles - norme ISO-LEG-D).
• Faible taux de compression géométrique (environ 7), compensé par l'effet de compresseur effectué par la face inférieure du piston dans le cylindre, et le pot accordé, aboutissant à une compression réelle de 10 voire plus dans le domaine de la compétition.
• Bruit spécifique, plus aigu que celui d'un moteur à quatre temps^{[N 4]}.

Évolutions

Le moteur deux temps n'a pas toujours eu les performances que l'on lui connaît aujourd'hui. Il s'agissait même auparavant d'un moteur capricieux, poussif et au rendement désespérément faible. Très tôt, les ingénieurs vont apporter des évolutions pour contrecarrer le principal problème du moteur deux temps, le fait que les lumières d'admission et d'échappement ne soient pas totalement fermées lors de la phase montante du piston. Ceci provoque trois phénomènes biens connus :

• important manque de compression ;
• croisement des gaz frais et gaz brûlés au niveau du cylindre et de l'échappement ;
• refoulement partiel du mélange dans le carburateur.

Plusieurs évolutions ont donc été développées au fil du temps. Certaines d'entre elles sont aujourd'hui répandues, d'autres, plus marginales. Les évolutions majeures sur les moteurs grand public sont les suivantes :

pot de détente accordé 

améliorant le balayage et repoussant les gaz frais dans le cylindre^{[N 5]}. Le terme pot de détente est une appellation répandue mais impropre (on l'utilise aussi pour le pré-silencieux des systèmes d'échappement automobile) ; techniquement il est plus correct de parler de résonateur. L'accord du pot de détente-résonateur est une science complexe et pour partie empirique, les préparateurs développant de véritables bibliothèques de pots d'échappement, dont certains conviennent aux circuits tortueux et d'autres aux circuits avec de longues lignes droites, jouant de subtiles différences dans les quatre éléments : tube d'échappement, cône divergent, contre-cône convergent et tube de fuite. Grosso modo, un résonateur court et ventru favorise la puissance maximum mais sur une plage de régime étroite tandis qu'un résonateur plus fin et plus long favorise la souplesse et la polyvalence du moteur au détriment de la puissance maximale. Les propagations d'ondes de pression et de contre-pression dans un résonateur 2-temps sont assez semblables à celles rencontrées dans le pulsoréacteur qui fut développé durant la Seconde Guerre mondiale pour les missiles V1 ;

clapets à l'admission 

plats ou en forme de toit afin de rendre asymétrique le cycle d'admission dans le carter. Il se trouve généralement sur le carter (parfois sur le cylindre). L'admission par clapet constitue à elle seule une petite révolution : elle permet l'ajout d'un transfert à l'arrière du cylindre, rendant ainsi le moteur plus performant, et supprime le problème de refoulement de gaz dans le carburateur, ce qui permet aussi un démarrage plus facile à froid et de meilleures reprises (pré-compression améliorée) Ces clapets plats « en marguerite » ont été d'abord utilisés en série par les fabricants de moteurs hors-bord (Kiekhafer -Mercury , OMC-Johnson-Evinrude). La firme japonaise Yamaha perfectionna ce système avec les clapets « en toit » appelés commercialement reed valve permettant un meilleur débit et un vrai contrôle des phénomènes de résonance ;

hauteur variable de la lumière d'échappement en fonction du régime 

afin d'augmenter le temps d'échappement à haut régime. Rare sur les cyclomoteurs mais répandus sur les machines de plus grosses cylindrés^{[N 6]} ;

allumage à avance variable 

permettant d'avoir le maximum de performance à différents régimes (facilité par l'arrivée des allumages électroniques).

Autres évolutions plus marginales

• Valve d'admission, d'un fonctionnement similaire aux clapets ;
• distributeurs rotatifs. Dans ce cas, l'admission des gaz frais s'effectue par un disque possédant une échancrure et fixé en bout de vilebrequin (l'admission est effectuée quand l'échancrure communique avec la conduite d'admission du carburateur). Il a été développé dans le domaine du deux-roues pour sa complexité et son coût ; à remarquer toutefois que les deux temps les plus puissants étaient le Derbi 125 de Grand Prix à admission rotative, de 54 ch (soit 432 ch/litre). Les premiers distributeurs rotatifs modernes permettant d'éviter le refoulement vers le carburateur (comme les clapets) mais aussi de maîtiser la dissymétrie des temps d'admission, transfert et échappement dans le diagramme de distribution sont développés par Walter Kaaden (République démocratique allemande) et installés sur la moto est-allemande MZ du pilote-ingénieur Ernst Degner, qui « passa à l'ouest » au milieu des années 1960 car la firme japonaise Suzuki lui offrait un meilleur salaire. Suzuki et Kawasaki adoptèrent le distributeur rotatif non seulement pour leurs machines de course mais aussi pour quelques modèles de série : la Suzuki T120, les Kawasaki bicylindres 250 et 350 Avenger et Samouraï, puis le monocylindre 125 KH. Toutefois cette technique, outre sa complexité et l'élargissement du bas moteur (qui empêche de « prendre de l'angle » dans les virages) avait aussi l'inconvénient de ne pas convenir aux moteurs multicylindres en ligne. Les moteurs 4-cylindres 2-temps à distributeurs rotatifs utilisèrent alors l'architecture « en carré », come la Jawa 350 de Grand Prix pilotée par Bill Ivy et la Suzuki RG 500 Gamma ;
• chambre de résonance ouverte à bas régime pour simuler un pot plus long accordé ou bien de valves d'échappement à hauteur variable permettant des temps d'échappement plus ou moins long permettant de conserver un moteur à fort couple dans une large plage de régime ;
• deuxième cylindre pour assurer la pré compression. Ce type de moteur a équipé la célèbre Motobécane 99 Z, ainsi que certaines voiturettes ;
• injection directe, permettant un rendement optimum supérieur aux moteurs quatre temps (du fait de l'absence de distribution) ainsi qu'une diminution importante de la pollution ;
• balayage avec de l'air au lieu du mélange air-essence et injection (directe ou non) une fois l'échappement refermé (encore en étude).

Qualité des huiles

• L'amélioration de la qualité des huiles au fil des années a énormément contribué à l'amélioration de la robustesse et du rendement des moteurs deux temps. Jusqu’à la fin des années 1980 et même au début des années 1990, les moteurs étaient lubrifiés par des huiles minérales de mauvaises qualité, au film fragile, cassant facilement entraînant des serrages de moteurs. La quantité d'huile à utiliser devait être importante pour pallier ce problème. La proportion d'huile-essence devait être de 4 % minimum ;
• avec les huiles de synthèse ou semi-synthèse actuelles, une proportion huile-essence de 2 à 3 % est largement suffisante, la consommation d'huile est donc nettement diminuée et la longévité des moteurs accrue ;
• le graissage séparé améliore également le rendement et la lubrification du moteur (pourcentage huile essence variable en fonction du régime) tout en supprimant la contrainte du mélange directement dans le réservoir, peu pratique (utilisation d'un mélangeur de station service avec des huiles bas de gamme, mélange effectué par l'utilisateur directement dans le réservoir, « secouage » de la machine avant chaque départ, etc.). Le graissage par mélange n'est pratiquement plus utilisé que sur les machines de courses ou encore sur des engins type tronçonneuse, souffleur, etc.

Utilisation

Ce type de moteur est courant surtout dans les plus petites cylindrées, notamment les scooters. Ils ont les avantages de la simplicité, d’un poids et d'un encombrement réduit ainsi que de fonctionner dans toutes les orientations sans nécessiter de lubrification par carter sec.
Il est également utilisé sur des moteurs marine de forte puissance comme celui du porte-conteneur CMA CGM Jules Verne, un moteur à 14 cylindres en ligne, alésage 960 mm, puissance 108 000 ch. Certains gros navires méthaniers récents utilisent des moteurs deux temps gaz et fioul, dont le gaz provient de l'évaporation du méthane liquide des réservoirs ce qui évite de rejeter dans l'atmosphère du méthane gazeux, et également de diminuer les rejets de polluants contenus naturellement dans les combustibles liquides qui sont alors utilisés en faible quantité.

Motocyclettes

Dans les années 1970, le moteur à deux temps était très utilisé du fait de son poids, sa simplicité et ses performances. À cette époque, beaucoup de constructeurs de motocyclettes ont développé des modèles avec des moteurs deux temps, même de grosse cylindrée, comme la Kawasaki 750 H2. En France, la Motobécane 125 de 1970 est le reflet même de cette époque. Cependant, l'augmentation du prix du pétrole et surtout les normes antipollution de plus en plus contraignantes ont progressivement limité l'usage de ce type de moteur.
Toutefois, pour des raisons de coût, de fiabilité et de poids, les motos de tout-terrain à moteur deux temps sont de plus en plus présentes au départ des compétitions (motocross, enduro et trial).

• Motos deux temps
• Kawasaki 750 H2 Mach IV premier modèle.

• Motobécane 125 LT1, préparée pour participer aux Coupes Moto Légende.

Moteurs marins

La technologie 2 temps a l'avantage de la légèreté et de la simplicité, c'est ce qui l'a fait adopter dès les débuts pour les moteurs hors-bord (la traditionnelle Motogodille dont la partie thermique était produite par la firme Buchet, et l'ELTO américain développé par l' ingénieur américano-suédois Ole Evinrude.)

En effet ce type de moteur était considéré comme l'équivalent mécanique d'un aviron et devait pouvoir être démonté et transporté facilement pour le mettre à l'abri des voleurs.

L'industriel nantais Goïot, également fabricant d'accastillage, et coureur motocycliste durant ses loisirs préférait parler de "propulseur détachable" pour les remarquables moteurs hors bord qu'il développa avant la 2° GM en utilisant un alliage d'aluminium de sa composition, parfaitement insensible à la corrosion marine.

Par rapport aux moteurs de motos, avec lesquels il partage bon nombre de caractéristiques (certains constructeurs comme Yamaha, Suzuki, Tohatsu, Honda, Sunbeam-British Seagull, Tomos, sont, ou ont été présents sur les deux marchés) le moteur hors bord 2 temps a quelques caractéristiques spécifiques .

Implantation mécanique

À l'exception de l'antique Motogodille (en oblique) le vilebrequin et l'arbre de transmission principal sont disposés à la verticale (pour des raisons de compacité) le volant moteur tout en haut, mettant, autant que faire se peut, les délicats organes électriques (vis platinées) à l'abri des projections d'eau salée. Le ou les carburateurs (les bicylindres sont souvent équipés d'un seul "carbu" pour éviter les complexes réglages de synchronisation) sont vers l'avant du bateau, les cylindres et les bougies vers l'arrière (parfois vulnérables lorsque le bateau ralentit et que sa vague de sillage le rattrape).

Refroidissement

La solution adoptée de façon quasi universelle est le refroidissement par eau (les motos 2 temps ont longtemps été refroidies par air, déplacé ou forcé par une turbine) mais il n'y a pas de radiateur : L'eau est puisée directement dans la mer ou la rivière, sous la ligne de flottaison par des évents raccordés à une pompe rotative clavetée sur l'arbre vertical . Le rotor de cette pompe (en caoutchouc nitrile) affecte la forme d'une étoile de mer et doit être changé très régulièrement .

C'est un des points les plus cruciaux de ce type de moteur: l'utilisateur doit se méfier des algues , des sacs plastiques entre deux eaux, et des sédiments en suspension. Il doit contrôler la dérivation-témoin du circuit d'eau (la "pissette") et être attentif au bruit du moteur, s'il se fait sec et métallique: en effet l'eau de refroidissement sert aussi a atténuer le bruit de l'échappement.

Transmission

la boîte de vitesse (ou boîte d'inverseur) est réduite à sa plus simple expression: Marche avant, point mort et marche arrière ou même totalement absente sur les plus petits moteurs. La démultiplication finale peut être adaptée en changeant d'hélice pour trouver le pas le plus adapté au bateau. Située sous la flottaison dans l'embase du moteur elle est vulnérable aux chocs sur les rochers et l'utilisateur doit faire preuve de sens marin.

Évolutions technologiques

De rendements spécifiques plus faibles que les moteurs de moto (une cylindrée de 250 Cm3 pour seulement 10 CV de puissance est courante) et conçus avec des impératifs de sécurité et de fiabilité, les moteurs hors bord 2 temps on néanmoins connu des évolutions techniques parallèles à leurs"cousins"motocyclistes : clapets d'admission, allumage électronique CDI (en général scellé à la résine dans un boîtier totalement étanche), graissage séparé (sauf pour les petites puissances), et plus récemment remplacement des carburateurs par des systèmes d'injection pour se conformer aux nouvelle règles anti pollution (norme européenne dite "Bodensee").

Depuis le début du XXI^e siècle les moteurs 4 temps ont progressivement supplanté les 2 temps pour les fortes puissances (qu'on ne démonte quasiment jamais du bateau) mais les firmes Evinrude , Tohatsu et Kiekhafer Mercury ont continué à produire des moteurs 2 temps à injection répondant aux normes antipollution modernes. Un autre point fort du moteur hors bord 2 temps est la facilité avec laquelle il peut être remis en route après submersion (chavirage de l'embarcation, chute à l'eau lors d'une manutention, paquet de mer), un simple rinçage à l'eau douce, une purge du carburateur et une pulvérisation de dégrippant suffisent alors qu'un moteur 4 temps nécessite des opérations bien plus complexes et coûteuses pour être remis en service.

Automobile

La plus connue des automobiles à moteur deux temps est la série des véhicules Trabant, fabriqués alors en RDA par l'entreprise VEB Sachsenring Automobilwerk Zwickau.

La firme DKW (en Allemagne de l'Ouest) et sa consœur Est allemande Wartburg ont produit des automobiles à moteur 3 cylindres 2 temps nettement plus performantes et positionnées plus en haut de gamme que la très basique Trabant qui se contentait d'un bi-cylindre.

En Pologne, la société FSO a produit de 1957 à 1983 une voiture à moteur deux temps : la FSO Syrena.

Le constructeur suédois Saab a utilisé des moteurs deux temps pour motoriser ses modèles 92001, 92, 93, ainsi que les premières 96.

Des micro-citadines ont également utilisé un moteur deux temps comme l'Isetta conçue par la firme italienne ISO Rivolta.

La très originale Vespa 400 , concurrente de la Fiat 500 Topolino, utilisait un moteur bicylindre 2 temps de 400 Cm³ équipé d'un mélangeur automatique, un dispositif astucieux qui, sans être un véritable graissage séparé (ou Autolube), en était la préfiguration.

• Auromobiles 2 temps
• Trabant 601.

• FSO Syrena 101.

• Saab 96 de 1961.

• Isetta.

Tronçonneuses et souffleurs de feuilles

On utilise aujourd'hui les petits moteurs deux temps dans toutes sortes d'engins demandant une vitesse de révolution élevée en prise directe, comme les tronçonneuses ou les souffleurs de feuilles, et sur des véhicules comme le karting ou de nombreux scooters, lesquels disposent d'un système d'embrayage.

• Tronçonneuse.

• Scooter.

Moteurs Diesel

Le cycle deux temps reste très exploité dans les énormes moteurs Diesel, comme ceux propulsant des navires. L'échappement s'effectue souvent par une ou des soupapes et l'admission par des lumières. Historiquement, il a été utilisé sur des moteurs assez exotiques comme des moteurs à pistons opposés Junkers Jumo 205 (de), des moteurs en Delta (vedettes et locomotives) Napier Deltic (de), Fairbanks-Morse (de) et poids lourds Detroit Diesel, etc. L'alimentation en air (balayage) d'un Diesel deux temps est assurée par un ou plusieurs compresseurs (souvent type Roots), parfois assistés d'un ou plusieurs turbocompresseurs.

Opérations de base

Le moteur au cycle à deux temps est simple dans sa construction mais d'une dynamique complexe pour son fonctionnement.

Avantages par rapport au quatre temps

• Mécanique simple : pas de mécanique complexe (distributions, soupapes) à démonter lors de l'ouverture du moteur. Facile à réparer soi-même avec un minimum d'outillage courant et un peu de connaissances en mécanique.
• 30 % plus léger et 30 % moins encombrant qu'un moteur quatre temps de même cylindrée.
• 40 % plus léger (le prototype Orbital destiné à l'automobile, 3 cylindres, 75 ch, pesait 45 kg).
• Plus puissant à cylindrée égale (1,7 fois plus puissant environ sur les moteurs actuels).
• Utilisable dans toutes les positions sans modification particulière.
• Utilisation presque systématique de boîte à clapets permettant des cycles d'admission variables gérés par la dépression régnant dans le carter d’embiellage.
• Utilisation de lumières d'échappement à hauteur variable permettant de limiter les pertes de charge gazeuse particulièrement pour les bas et mi-régimes afin de limiter la consommation et d'augmenter le couple et la souplesse.
• Plage d'utilisations possibles très étendue (moteur de trial à fort couple et souple à bas régime, à mi-régime de l'ordre de 3 000 à 8 000 tr/min pour l'utilisation grand public, à haut régime pour la compétition de l'ordre de plus de 18 000 tr/min pour le karting, ou 35 000 tr/min dans les cas extrêmes du modélisme).

Rendement possible de l'ordre de 430 ch/L sans turbo ni compresseur (voir la Derbi 125 gagnante de la dernière saison de Grand Prix deux temps ou distributeur rotatif)^[pas clair].

• Possibilité de gérer l'alimentation par injection directe permettant ainsi de dépolluer fortement ce type de moteur et d'obtenir une consommation de l'ordre de 2,85 L/100 km (voir aussi les moteurs marins ou ceux utilisés sur les scooters des neiges).
• Une des raisons du succès du moteur Diesel 2 temps dans les bateaux de plaisance est le plus faible droit annuel de francisation et de navigation (DAFN, précédemment taxe de francisation) : la taxe est calculée à partir de la puissance fiscale (CV) calculée à partir du nombre de cylindres, de l'alésage et de la course, avec un abattement de 30 % pour les moteurs Diesel ; et pour la même puissance mécanique, la puissance fiscale d'un moteur Diesel 2 temps est aussi plus faible ; cependant ce moteur Diesel 2 temps pollue plus que le 4 temps de même puissance.

Inconvénients

Le moteur deux temps présente aussi des inconvénients :

Inconvénients majeurs

Les problèmes majeurs sont :

• la distance parcourue par le piston avant la fermeture de la lumière d'échappement qui provoque une perte d’hydrocarbures imbrûlés. Des phénomènes de résonance induits par un pot de détente aident à résoudre cette difficulté, ou l'injection directe, qui permet de balayer le cylindre avec de l'air pur, le carburant n'étant injecté qu'à la fin. Si un simple pot d'échappement est utilisé, pendant la phase d'admission/échappement, jusqu'à 30 % du mélange peut être perdu ;
• le lubrifiant dans son carburant pour graisser le cylindre qui génère une émission d'huile (plus ou moins brûlée) dans l'atmosphère, le rendant ainsi polluant. C'est cet inconvénient qui expliquait en grande partie son abandon progressif au profit du quatre temps. À remarquer les nouvelles huiles deux temps (norme ISO-L-EDG), qui permettent une combustion à chaud pratiquement totale ;
• du fait des résidus imbrulés de l'huile contenue dans le carburant, les bougies peuvent subir un comblement progressif de l'espace inter-électrode (perlage)^[6]. Cet inconvénient peut être évité par un refroidissement efficace (liquide), une qualité d'huile améliorée par rapport aux années 1970 et des bougies adaptées. De nos jours, le perlage n'existe plus ;
• le moteur deux temps est une source de pollution importante du fait des rejets d'huile et d’hydrocarbures imbrûlés potentiellement cancérigènes^{[N 7],[7]}.

Inconvénients mineurs

• Faible frein moteur.
• Cale souvent à bas régime.
• Usure plus rapide de la segmentation (et donc du piston) qui contrairement à un moteur quatre temps, pénètre légèrement dans les différentes lumières d'admission(s) et d'échappement(s) lors du mouvement dans le cylindre. Cependant l'usure plus rapide est aussi due au fait que la plage d'utilisation d'un moteur deux temps est en général sur un régime moteur plus élevé que sur les moteurs quatre temps.