V8 FERRARI: il miglior motore al mondo

Tutti i segreti del 3,9 V8 biturbo Ferrari, un capolavoro di tecnologia che ha raggiunto la sua massima evoluzione con la 488 Pista.

Ogni volta che la casa di Maranello delibera un nuovo prodotto si ha l’impressione che sarà impossibile migliorarlo, ma si viene puntualmente smentiti soltanto qualche anno dopo, facendoci ricordare che tutto è perfettibile e niente è perfetto. Se il giudizio relativo ad un’automobile entra nella sfera del soggettivo, quando si tratta di un motore, sono i numeri e la tecnica a parlare e le opinioni vengono a meno.

E’ proprio il caso del 3,9 V8 biturbo Ferrari, che equipaggia nelle varie declinazioni la gamma 488, Portofino e GTC4 Lusso T, nominato per tre anni consecutivi miglior motore al mondo agli International Engine of the Year Awards (IEOTY) e nel 2018 migliorato e ottimizzato nella versione installata sulla 488 Pista, ricevendo così la nomination speciale “Best of the Best”, da parte di 68 giudici internazionali chiamati a votare il motore migliore tra tutti i vincitori degli ultimi 20 anni.

“Nessun turbo lag, ottimo rendimento, emozione pura, ruggito fragoroso e tanta potenza: questo V8 Ferrari è un’opera d’arte” sono le parole di Dean Slavnich, copresidente degli IEOTY Awards.


IL V8 FERRARI

La tradizione e la dedizione di Ferrari per la configurazione V12 è nota, ma è meno conosciuto il fatto che la storia del V8 affondi le sue origini fino agli albori della casa. Già nel 1957 infatti a Maranello fu utilizzato un V8, per competere nel campionato mondiale di Formula 1 con la 801 F1, monoposto evoluzione della precedente Lancia-Ferrari D50 e realizzata in seguito alla chiusura del reparto corse della casa torinese. Il primo V8 interamente realizzato dalla casa di Maranello fece invece la sua apparizione sulla 158 F1, con la quale John Surtees nel 1964 vinse sia il campionato del mondo dei piloti che quello dei costruttori: il propulsore era dotato, già all’epoca, di un sistema di iniezione diretta di benzina e raggiungeva gli 11.000 giri al minuto, con una potenza massima erogata di 210 cavalli.

Ma la prima auto stradale che fu prodotta a Maranello e che montò l’otto cilindri, in posizione trasversale dietro l’abitacolo, fu la 308 GT4 nel 1974. Il V8 che spingeva la piccola 2+2 era alimentato da quattro carburatori Weber 40DCNF ed erogava 255 cavalli a 7700 giri al minuto. Utilizzava gli stessi valori di alesaggio e corsa, 81 mm x 71 mm, del leggendario V12 (progettato da Giocacchino Colombo), che equipaggiava in quel periodo la 365 GT. Poiché si differenziava dalla classica configurazione a motore anteriore V12, la 308 GT4 fu chiamata Dino, anziché Ferrari, come l’auto da cui derivava, la Dino 246 GT.

Possiamo considerare proprio il motore della 308 come il progenitore della fortunatissima serie degli 8 cilindri, che oggi è arrivata fino alla 488 GTB, passando per veri e propri miti, come la 360 Modena, la F430, la 458 Italia, per citare soltanto le più recenti. Dopo oltre 40 anni, l’angolo tra le due bancate è rimasto invariato, 90 gradi, così come l’angolo piatto (180 gradi) tra i perni delle manovelle dell’albero motore (detto flatplane): una configurazione che ha reso iconico il sound tipicamente “racing” di questa serie, suono che differisce, e di molto, dal tipico borbottio delle V8 meno blasonate. I vantaggi dell’albero piatto, in confronto all’albero a croce (dove l’angolo tra due perni adiacenti è di 90 gradi), sono la sua semplicità costruttiva, la compattezza e la leggerezza, doti che permettono di avere minore inerzia e quindi più facilità a raggiungere velocità rotazionali elevate. Di contro, si tratta di una configurazione che genera notevoli forze alterne del 2° ordine che, solo grazie all’utilizzo di materiali leggeri e all’ottimizzazione dei contrappesi, Ferrari è riuscita a mitigare in modo più che accettabile. La nuova famiglia di motori V8 sovralimentati, chiamati Ferrari F154, ha visto la sua prima applicazione nel 2013 su una Maserati, la Quattroporte GTS, per poi sostituire progressivamente le unità aspirate della precedente famiglia di propulsori Ferrari F136.

Posizionamento dell’albero motore della 488 Pista all’interno del basamento

COME E’ FATTO

Il 3,9 litri Ferrari che spinge la nuova 488 (codice F154 CB) prevede una sovralimentazione generata da due turbocompressori twin-scroll IHI raffreddati ad acqua, posizionati all’esterno delle due bancate a V per mantenere il baricentro più basso possibile, in grado di generare fino a 1,3 bar di sovrappressione, con una velocità di rotazione delle giranti che arriva fino a 160.000 giri al minuto. La testata, il basamento e il monoblocco cilindri sono realizzati interamente in lega di alluminio, tramite una fusione che avviene a una temperatura di 750°, con l’utilizzo di anime in sabbia e resina per la realizzazione dei passaggi interni. L’intero processo produttivo viene effettuato all’interno dello stabilimento Ferrari, caso più unico che raro nel panorama automobilistico.

La cilindrata complessiva è di 3902 centimetri cubi ed è ottenuta tramite un alesaggio di 86,5 mm e una corsa di 83 mm, mentre la cilindrata unitaria, di circa 488 cc (487,75 per l’esattezza) fornisce il nome alla nuova berlinetta.

Rispetto alla versioni installate sulle gran turismo GTC4 Lusso T e Portofino (F154 BD e F154 BE) è previsto 1 millimetro in più di corsa e ciò fa capire lo sviluppo specifico dell’unità installata sulla 488, per quanto riguarda non solo l’albero motore, le bielle e i pistoni ma anche la conformazione delle teste, degli alberi a camme e dei collettori di aspirazione e scarico. L’altra differenza principale che si trova nel motore della 488 rispetto alle GT della gamma Ferrari, è la lubrificazione a carter secco, come da tradizione delle vetture Sport Ferrari, invece di quella a carter umido. Con un rapporto di compressione è di 9,4 : 1, l’unità montata sulla 488 GTB è in grado di erogare fino a 670 cavalli a 8000 giri al minuto e 760 Nm di coppia a 3000 giri al minuto, rispettivamente 172 cavalli/litro e 195 Nm/litro.

La linea produttiva dedicata all’otto cilindri Ferrari, dalla quale prendono forma i motori che equipaggiano 488 GTB, 488 Pista, Portofino e GTC4 Lusso T. Il processo più lungo è quello per la realizzazione dell’albero motore, circa 25 giorni lavorativi, impiegati in lavorazioni meccaniche, trattamenti termici e indurimento tramite nitrurazione.

La distribuzione avviene tramite le catene che comandano i due alberi a camme in testa, i quali sfruttano bilancieri con dito a rullo, invece delle punterie a bicchiere, per comandare le 32 valvole (4 per cilindro). Questa soluzione consente di diminuire del 10% la potenza assorbita, grazie alla diminuzione dell’attrito, e permette di avere alzate delle valvole molto elevate e profili di camma spinti. L’efficienza meccanica è garantita dalla pompa dell’olio a cilindrata variabile, ottimizzata in base ai carichi del motore e in grado di limitare fino al 30% la richiesta di potenza idraulica rispetto ad una pompa classica; l’indice di viscosità dell’olio richiesto è 5W40.

Due intercooler aria-aria, posizionati ai due lati della vettura davanti alle ruote posteriori, si occupano del raffreddamento dell’aria che entra nelle camere di combustione. L’iniezione diretta avviene tramite iniettori Bosch, che gestiscono il carburante portato a una pressione di 200 bar dalle pompe di alta pressione. Sempre Bosch ha fornito la centralina elettronica, anche se molte logiche software sono sviluppate e calibrate internamente dai tecnici di Maranello. La fasatura variabile in continuo è prevista sia lato aspirazione che lato scarico, tramite un variatore per ogni albero a camme, comandato dalla pressione dell’olio motore, attraverso elettrovalvole.

Le diverse collocazioni degli scambiatori termici (in blu, davanti aria-acqua, dietro intercooler) e delle prese d’aria (in rosso) tra la 488 GTB (in alto) e la 488 Pista (in basso).

E’ previsto il sistema di controllo della detonazione chiamato ION Sensing che, sfruttando la candela di ogni cilindro come sensore, riesce ad individuare, ciclo per ciclo, cilindro per cilindro, se ci sono eventi di misfire o principi di detonazione e modificare così in real-time l’anticipo di accensione; questo permette al motore di utilizzare tutte le benzine, dai 91 ai 102 ottani, anche se la mappatura di base è realizzata con benzina RON 98. Grande attenzione è stata dedicata alla nuova sonorità che giunge dagli scarichi, crescente nella tonalità con il variare dei giri e decisamente corposa, la quale segna una netta rottura con il passato delle precedenti unità aspirate, ma anche una continuazione della tradizione Ferrari, che da sempre si contraddistingue per il rombo delle proprie creazioni. Il sound distintivo deriva dall’utilizzo di collettori di scarico di elevata lunghezza e di uguali dimensioni tra un cilindro e l’altro, nonché, come detto, dalla configurazione del motore con albero a gomiti flatplane.


COME UN ASPIRATO

Uno dei motivi che rendono questo motore esuberante è l’erogazione, molto simile a un aspirato, caratteristica che non fa rimpiangere il precedente propulsore F136, montato sulla 458 Italia. Tale comportamento è imputabile non solo alla bassa inerzia degli organi in movimento, come bielle, pistoni e albero a gomiti, che gli consentono di raggiungere gli 8000 giri al minuto (valore incredibile per un motore sovralimentato), ma anche al ridottissimo ritardo che deriva dal turbocompressore: solo 0,8 secondi di ritardo di risposta sul pedale dell’acceleratore a 2000 giri al minuto in terza marcia. Il risultato è stato ottenuto grazie alle innovative soluzioni sulla turbina per la riduzione dell’attrito e dell’inerzia: i turbocompressori hanno infatti le giranti montate su ball bearing che riducono gli attriti e le giranti delle turbine realizzate in TiAl, una lega speciale di titanio e alluminio a bassa densità che, grazie all’inerzia ridotta permettono una maggiore accelerazione del gruppo. Inoltre, la tecnologia della turbina twin-scroll riduce l’interferenza delle onde di scarico fra i cilindri aumentando il livello delle pulsazioni di pressione dei gas in ingresso e massimizzando la potenza prodotta. Infine, uno speciale sistema di tenuta sulla cassa del compressore, detto abradable seal, che sfrutta l’utilizzo di materiali abradibili sulla parte fissa, permette di ridurre il gap tra la girante e la cassa stessa, riducendo le perdite fluidodinamiche ed aumentando l’efficienza.

Andamento della coppia in funzione dei giri motore: più la marcia è alta e maggiore è la coppia erogata. In settima, si raggiungono 760 Nm (770 Nm la 488 Pista).

Un’altra caratteristica che fa percepire il comportamento del motore simile a quello di un aspirato nella spinta, è la gestione variabile della coppia chiamata Variable Torque Management, sistema software in grado di aumentare la coppia erogata man mano che si sale di marcia e quindi si aumenta la velocità, fino ad arrivare al picco di 760 Nm a 3000 giri al minuto in settima marcia, regalando al pilota un entusiasmante e appagante feeling di continuo incremento del tiro in accelerazione.


GLI SVILUPPI SULLA 488 PISTA

La 488 Pista è la serie speciale della 488 GTB ed è equipaggiata con l’ultima evoluzione del V8 biturbo Ferrari (F154 CD), che si può fregiare oggi del titolo di motore otto cilindri più potente nella storia della casa di Maranello. L’obiettivo del progetto 488 Pista era piuttosto ambizioso, perché occorreva migliorare quello è stato nominato miglior motore al mondo per due anni consecutivi. I tecnici Ferrari hanno però lavorato in maniera egregia, attingendo molte soluzioni dal mondo delle competizioni, in particolare dalla 488 Challenge (il monomarca in pista dedicato alle vetture del Cavallino), cambiando circa il 50% delle parti rispetto al motore della 488 GTB.

Secondo Ferrari, le sfide più difficili nella progettazione del motore della 488 Pista sono state:

  • L’ottimizzazione, ovvero il ‘matching’ tra il motore e il turbo, ottenuta tramite calcoli matematici e sperimentazione al banco, per raggiungere i 185 cavalli / litro.
  • La riduzione dei pesi
  • Il raggiungimento dell’affidabilità complessiva del motore potenziato e alleggerito
  • La progettazione e la realizzazione della geometria complessa dei collettori di scarico
  • L’integrazione motore-vettura per le prestazioni maggiorate, in particolare le modifiche e il riposizionamento degli scambiatori di calore, che hanno poi influito sensibilmente sul concept generale della vettura.

L’impresa è riuscita e il risultato è stato il raggiungimento di una potenza massima di 720 cavalli, ben 50 in più rispetto a 488 GTB, allo stesso regime di 8000 giri al minuto, con un rapporto di compressione che aumenta a 9,6 : 1.

I componenti principali del motore della 488 GTB (a sinistra) e della 488 Pista (a destra): le differenze sono visibili anche a occhio nudo. Per esempio i collettori di scarico della Pista sono realizzati in Inconel, maggiorati nel diametro e con design 4 in 2. Inoltre, il volano è alleggerito tramite fori di maggior diametro.

Oltre alla potenza, l’altro miglioramento principale riguarda il peso, che è stato ridotto complessivamente di 18 kg. Si è sfruttato l’utilizzo di materiali a basso peso specifico, come le bielle realizzate in titanio (-43% di peso specifico rispetto all’acciaio), i polmoni di aspirazione in materiale composito a base di fibra di carbonio e i collettori di scarico ricavati da tubi in acciaio nichel-cromo Inconel (-9,7 kg). Altri alleggerimenti hanno riguardato le masse in movimento come l’albero motore (-1,2 kg tramite l’eliminazione dei contrappesi centrali) e il volano (-1,5 kg), con una conseguente riduzione dell’inerzia del 17%, a favore di una più rapida ed entusiasmante risposta, percepibile soprattutto nei cambi di marcia.

La riduzione complessiva del peso del propulsore della 488 Pista è di 18 kg, di cui ben 9,7 kg ottenuti grazie ai nuovi collettori di scarico.

Valvole cave anche lato aspirazione (sulla 488 GTB le troviamo solo lato scarico) e molle specifiche per sopportare il nuovo profilo dei lobi degli assi a camme che ha reso più aggressive le curve di alzata, che guadagnano un millimetro di altezza, sia in aspirazione che in scarico.

I pistoni e le teste dei cilindri sono stati rinforzati per supportare maggiori carichi, fino a più 10% di pressione in camera. Particolare attenzione è stata rivolta anche alla riduzione degli attriti interni, grazie ad esempio all’introduzione degli spinotti con rivestimento ad alta durezza, a base di carbonio, detto DLC (diamond like carbon). Il polmone di aspirazione è stato ridotto nel volume rispetto alla 488 GTB per migliorare la risposta nei transitori, mentre i condotti di scarico sono stati maggiorati di diametro e realizzati con una soluzione 4 in 2, che permette di sfruttare al massimo le pulsazioni senza interferenze tra i cilindri, riducendo inoltre la contropressione allo scarico e quindi minimizzando le perdite di pompaggio.

Sulla 488 Pista i profili dei lobi delle camme prevedono una maggiore alzata (+1 mm), sia in aspirazione sia in scarico, e un angolo di apertura più ampio in scarico.

Anche il sistema di raffreddamento è stato modificato: sulla 488 Pista, i radiatori, posizionati nella parte anteriore della vettura, sono inclinati in avanti, in posizione quasi orizzontale, per migliorare i flussi e il raffreddamento, anche in condizioni di elevato stress termico, perché l’aria in uscita dai radiatori viene convogliata nella parte bassa delle fiancate senza interferire con le prese dell’intercooler, posti davanti alle ruote posteriori. Al posteriore, le prese d’aria del motore sono state spostate dalla fiancata alla zona dello spoiler, dove sono collegate direttamente con l’ingresso aria del motore. In questo modo, è stato possibile ridurre drasticamente le perdite di carico fluidodinamiche e quindi aumentare la portata del flusso d’aria in ingresso motore e, conseguentemente, contribuire all’aumento di potenza, nonché lasciare spazio all’allocazione degli intercooler maggiorati.

Altra innovazione, derivata dalla 488 Challenge è la lettura diretta della velocità dei turbocompressori: se nel motore della 488 GTB la velocità dei turbo viene calcolata indirettamente dalla ECU tramite mappe preimpostate, con la 488 Pista sono stati adottati sensori induttivi integrati, che, fornendo dati precisi e in tempo reale sulla velocità di rotazione del compressore, permettono di bilanciare le prestazioni tra i due turbo e di sfruttare al massimo la potenza sia in termini assoluti, che in termini di condizioni di utilizzo particolari, come temperatura ambiente elevata o altitudini estreme. Per rendere ancora più performante l’unità, si è adottato una nuova logica di limitatore di velocità detta “Wall-Effect” (effetto muro) che, a differenza del controllo tradizionale, non anticipa il raggiungimento dei giri massimi limitando la coppia in prossimità del limite, ma interviene soltanto all’ultimo, massimizzando l’espressione della potenza durante tutto il range di utilizzo.

Spaccato del turbo compressore IHI. Si può notare il doppio ingresso dei fumi di scarico nelle giranti della turbina (a destra) per bilanciare le pulsazioni di pressione.
I turbocompressori hanno le giranti montate su ball bearing e realizzate in TiAl, una lega speciale di titanio e alluminio a bassa densità che, grazie all’inerzia ridotta permettono una maggiore accelerazione del gruppo.

Infine, ma non ultimo per importanza quando si tratta di una vettura della casa di Maranello, il miglioramento del sound, che con la 488 Pista guadagna fino a 8 dB di potenza sonora avvertibile dall’abitacolo (e proporzionale all’aumento del regime di rotazione) rispetto alla GTB, grazie ai nuovi collettori di scarico, alla logica ottimizzata dei bypass di scarico e all’incremento della potenza del motore.

Possiamo affermare che ci troviamo di fronte a un prodotto di eccellenza mondiale, che si eleva a punto di riferimento, non solo per quanto riguarda la categoria degli otto cilindri sovralimentati, bensì per tutti i propulsori in generale. In futuro, migliorare le doti di questo motore sarà un’ardua impresa, ma siamo convinti che Ferrari saprà nuovamente stupirci.

 

Nel grafico è messo in evidenza l’andamento della pressione sonora del motore al variare del regime di rotazione. In rosso, la 488 Pista arriva fino a 8 dB in più rispetto alla 488 GTB, grazie ai nuovi collettori di scarico, alla logica ottimizzata dei bypass di scarico e all’incremento della potenza del motore.

 

L’albero motore è stato alleggerito (-1,2 kg) tramite la rimozione dei due contrappesi centrali, come visibile dalla comparazione, per ridurre l’inerzia.

 

In primo piano, biella e pistone della 488 Pista (codice motore F154 CD)

 

Le serie speciali delle versioni a 8 cilindri sono da sempre caratterizzate da un incremento di potenza massima, ma non si era mai arrivati a un gap di ben 50 cavalli.