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Le moteur de la 458 Italia est un 8 cylindres à V de 90 degrés à carter sec, d'une cylindrée de 4 499 cm3, installé en position centrale-arrière longitudinale. Son architecture, d'une conception tout à fait innovante, a été projetée dans le but d'atteindre des régimes de rotation allant jusqu'à 9 000 tours/min. Ces valeurs étaient impensables jusqu'à présent pour une voiture routière de cette cylindrée avec un rapport de compression de 12,5:1 et une puissance maximale de 570 CV. Ceci se traduit par une puissance spécifique de 127 CV/l, une valeur jamais atteinte auparavant par une voiture routière à moteur atmospherique. Les excellentes valeurs de couple se reflètent dans l'exploitabilité et la nervosité de la voiture à tous les régimes d'utilisation, avec un couple de 540 Nm à 6 000 tours/min (le couple spécifique est de 120 Nm/l, un autre record), disponible à 80% dès les 3 250 tours.

La conception coordonnée de chaque composant et le transfert des innovations dérivant du monde des courses, de la Formule 1 en particulier, ont visé à la réalisation des objectifs d'efficacité fluidodynamique, et donc performancielles et de consommation, dans le respect des normes les plus sévères liées aux émissions.

La hauteur de compression des pistons a été réduite, comme cela advient sur les moteurs de compétition, tout comme l'épaisseur des bagues d'étanchéité. Cette intervention permet de minimiser les pertes pour cause de frottement entre le piston et le corps du cylindre. Pour la même raison, un revêtement en graphite a été appliqué à la jupe du piston. La pompe de refoulement a une architecture à géométrie variable qui permet de réduire à des régimes élevés de rotation l'absorption de puissance nécessaire. La réduction de la cylindrée de la pompe détermine donc une augmentation de la puissance disponible de l'arbre à égalité d'utilisation de carburant. Conformément à la tradition des moteurs Ferrari, le nouveau V8 est caractérisé par un système à calage variable pour l'admission et l'échappement.
Le collecteur d'admission, réalisé en aluminium, a été ultérieurement allégé grâce à la réduction de l'épaisseur des parois et présente un système de variation de la géométrie conçu pour maximaliser le rendement volumétrique selon la variation de la vitesse de rotation du moteur.

Malgré l'augmentation de cylindrée et de puissance, la réduction des frottements internes entre les divers composants a permis de réduire considérablement les valeurs de consommation. Le carter moteur est constitué de quatre portées isolées des chutes d'huile avant et arrière, connectées en deux groupes par quatre cylindres l'un, pour optimiser l'exploitation de la capacité d'extraction du lubrifiant et créer une dépression élevée de 800 mbar environ. Cette intervention conduit la commande à manivelle à fonctionner dans une atmosphère raréfiée, avec une réduction conséquente des frottements dérivant de la rotation de l'arbre et des pertes de pompage créées par le mouvement des pistons. L'emploi de l'injection directe d'essence GDI, à système Split Injection, permet d'améliorer le rendement de combustion en augmentant la valeur de couple à faibles régimes (jusqu'à +5%) pour garantir la fluidité également dans des conditions de faibles charges pour le moteur. Une haute pression d'injection (200 bars) garantit une pulvérisation de l'essence appropriée ainsi qu'un mélange et une combustion optimale allant jusqu'à 9 000 tours/min. Cette caractéristique aussi se traduit par une augmentation des performances et par une réduction des consommations.

Pour optimiser le rendement du système et garantir une émotion de conduite maximale, l'installation d'échappement a été dessinée avec un « groupe de silencieux » qui a le double objectif de garantir le son caractéristique d'une 8 cylindres Ferrari tout en assurant un excellent niveau de confort acoustique.
Dans cette phase aussi une attention particulière a été réservée en vue de limiter les poids. En effet, en fixant le catalyseur à l'échappement central par un élément flexible, visant à réduire les vibrations, il a été possible de diminuer l'épaisseur des parois. De même, le pré-catalyseur a été éliminé, ce qui a donné des effets positifs non seulement en termes de poids mais aussi d'abaissement du niveau de contre-pression, tout en continuant à respecter les limites relatives aux émissions, imposées par la législation Euro 5 et Lev2. La sonorité du moteur est pleine, elle est claire et puissante, aussi bien quand on est assis dans l'habitacle que lorsqu'on se trouve à l'extérieur.

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