Moteur tout en aluminium, ce nouveau D5 fait appel à un double turbo séquentiel, de bougies de préchauffage avec âme à céramique et d'injecteurs piézoélectriques. Ce cinq cylindres à rampe commune de 2,4 litres affiche une puissance de 205 ch et un couple de 420 Nm disponible sur une large plage. Outre l'efficacité de l'ensemble, le but principal était de réduire la consommation et l'émission de CO2. Ainsi, la S80 D5 affiche une consommation moyenne mixte normalisée de 6,2 litres aux 100 km, soit 164 g de CO2/km (6,7 litres avec une boîte automatique).
Le refroidissement du moteur est transversal pour une grande uniformité. Les deux turbocompresseurs, de taille différente, fournissent ensemble une pression de suralimentation très élevée, 1,8 bar, sur une plage de régime particulièrement large. La plus petite turbine est surtout utilisée à bas régime. Cette suralimentation par deux turbocompresseurs a permis de mieux exploiter la recirculation des gaz d'échappement (EGR). De plus, le refroidisseur d'EGR est plus volumineux et dispose d'ailettes de refroidissement plus efficaces. Ce qui permet de diminuer les émissions d'oxydes d'azote (NOX). Le moteur est logiquement doté d'un filtre à particules à régénération automatique.
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