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Aus einem Hubraum von 3996 Kubikzentimetern schöpft der CDI-Vierventiler eine Höchstleistung von 320 PS bei 3600/min sowie ein maximales Drehmoment von 730 Newtonmetern, das ab 2000/min zur Verfügung steht. Die Common-Rail-Hochdruckeinspritzung der dritten Generation mit maximal 1600 bar Einspritzdruck und einem Zünddruck von 175 bar sorgt für eine effiziente Verbrennung. Optimierte Strömungsverhältnisse für bestmögliche Ladungswechsel und zwei Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie garantieren eine hohe Leistungs- und Drehmomentausbeute. Bis zu fünf Dieselinjektionen je Einspritzvorgang, spezielle Lochdüsen, Piezo-Injektoren und die wirkungsvolle Abgasrückführung helfen die Emissionen entscheidend abzusenken. Das neue V8-Triebwerk ist zur weiteren Minimierung der geringen Rohemissionen serienmässig mit einem wartungsfreien Dieselpartikelfilter ausgestattet und erfüllt die EU4-Norm. Die Geräuschentwicklung reduzierten die Motorenentwickler mit einem optimierten Kettentrieb, einem steifen Kurbelgehäuse mit gross dimensionierten Motorlagern und zusätzlichen Akustikabdeckungen. Das quadratische Bohrung-Hub-Verhältnis und eine gegenläufige Ausgleichswelle sorgen zusätzlich für eine hohe Laufruhe.
So gerüstet beschleunigt der S 420 CDI in 6,6 Sekunden von null auf 100 km/h und ist 250 km/h schnell (elektronisch abgeregelt). Der Verbrauch soll 9,4 Liter Diesel betragen. Bei einem Tankvolumen von 90 Litern sind somit Reichweiten von knapp 1000 Kilometern möglich. Die Kraftübertragung übernimmt das serienmässige 7G-Tronic-Automatikgetriebe mit lenkradnahem Wählhebel und Lenkradschalttasten. Serienmässig ist das S-Klasse Diesel-Topmodell mit der Luftfederung Airmatic mit Adaptivem Dämpfungs-System (ADS) und Niveauregulierung ausgestattet, auf Wunsch kann der S 420 CDI auch mit dem aktiven Fahrwerk Active Body Control (ABC) ausgestattet werden.