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Das Herz des R15 TDI ist ein neu entwickelter V10-TDI-Motor, der mehr als 600 PS leistet, ein maximales Drehmoment von über 1050 Newtonmeter hat und den aktuellsten Stand der von Audi erfundenen TDI-Technologie widerspiegelt. Das Triebwerk ist kompakter und leichter als der Zwölfzylindermotor, der im Vorgängermodell R10 TDI zum Einsatz kam. Der spezifische Kraftstoffverbrauch und der damit verbundene CO2-Ausstoss konnten ebenfalls reduziert werden. Innovationen im Bereich der Turboaufladung und der Kraftstoffeinspritzung sorgen gleichzeitig für ein verbessertes Ansprechverhalten des Motors. Auch eine neue Generation noch leichterer Diesel-Partikelfilter kommt im R15 TDI zum Einsatz.
Extrem ausgefeilt ist die Aerodynamik des neuen Sportwagens, die in Le Mans eine besonders große Rolle spielt. Ähnlich wie beim in der DTM 2008 siegreichen Audi A4 wurden die Umströmung und die Durchströmung des Fahrzeugs mithilfe von CFD-Berechnungen (Computational Fluid Dynamics) optimiert. Zu den vielen innovativen Detaillösungen, die dem Betrachter auf Anhieb ins Auge fallen, zählen ein von oben aufgehängter Heckflügel und eine hohe Fahrzeugnase.
Vollkommen neu ist das Bordnetz des Le Mans-Sportwagens: Erstmals kommt eine Lithium-Ionen-Batterie zum Einsatz, wie sie teilweise in Hybrid-Fahrzeugen verwendet wird. Sie ist leichter als die herkömmliche Batterie und liefert eine höhere Bordspannung.
Von der höheren Leistung profitieren unter anderem die Scheinwerfer des R15 TDI. In Le Mans startet Audi erstmals mit einem komplett aus Leuchtdioden bestehenden Abblendlicht, das bereits die nächste Generation der Audi LED-Technologie für die Serienfertigung darstellt.

Sein Renndebüt feiert der Audi R15 TDI am 21. März beim 12-Stunden-Rennen in Sebring (US-Bundesstaat Florida). Bei den 24 Stunden von Le Mans am 13./14. Juni plant das Audi Sport Team Joest den Einsatz von insgesamt drei Fahrzeugen.