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Der Audi A4 B6 (2000 bis 2004) und der Audi A4 B7 (2004 bis 2008) basierten beide auf der PL46-Plattform, weshalb man den B7 auch eher als umfangreiches Facelift des B6 sehen kann. Genauso wie ihre Vorgänger wurden der A4 B6 und der A4 B7 als Limousine und als Avant angeboten. Neu war das ab 2002 angebotene Audi A4 Cabrio, welches das über fast ein Jahrzehnt produzierte und auf dem Audi 80 B3 bzw. Audi Coupé basierende Audi Cabriolet ablöste. Gegenüber dem B5 konnte die Karosseriesteifigkeit nochmals um 45% erhöht werden, was sich auch deutlich im Ergebnis des Euro NCAP-Crashtests widerspiegelte.
Mit dem Audi A4 B6 präsentierte die Audi AG auch wieder eine neue Motorengeneration. Nach dem Erfolg der Fünfventiler im Vorgänger folgten nun 2 neue Fünfventiler, deren Motorblock nur aus einer Aluminiumlegierung besteht. Zum einen kam der 2,0 l-5V-Motor mit 130 PS als Vierzylinder-Reihenmotor und der 3,0 l5V-Motor mit 220 PS als V6-Motor. Daneben gab es die aus dem B5 bekannten Ottomotoren als Audi A4 1.6 mit 102 PS und als Audi A4 1.8 T in den Leistungsstufen 150 PS, 163 PS und 190 PS. Später folgte dann noch mit dem Audi 2.0 FSI mit 150 PS eine Weiterentwicklung des 2,0 l-5V-Motors. Im Wesentlichen wurde nur ein neuer Kopf auf den alten 2,0 l-Block geschraubt, der nun über 4 Ventile und einen Injektor je Zylinder verfügt. Eine für die Audi AG nahezu völlig neue Motorsteuerung kam im Audi A4 2.4 mit 170 PS zum Einsatz. Hier sorgten 4 Steuerketten auf der Rückseite, also zwischen Motor und Getriebe, für die Synchronisation von Kurbelwelle, Nockenwellen und Ausgleichwellen des 2,4 l-5VMotors. Der Audi S4 mit dem 4,2 l-5V-V8-Motor und 344 PS verfügte ebenfalls über diese Art der Motorsteuerung. Der Vorteil lag in einer wesentlich kompakteren Bauform im Vergleich zu den Motoren der Konkurrenz. Beide Motoren verfügten noch über die Fünfventiltechnik.
Bei den Dieselmotoren tat sich dagegen weniger. Der Audi A4 1.9 TDI wurde weiter mittels Pumpe-Düse-System und der Audi 2.5 TDI mittels Verteilereinspritzpumpe befeuert. Die neuen Leistungsstufen waren nun beim Audi A4 1.9 TDI 100 PS, 115 PS und 131 PS und beim Audi A4 2.5 TDI 155 PS, 163 PS und 180 PS. Etwas mehr tat sich beim Modellwechsel zum Audi A4 B7. Zum Marktstart des A4 B7 gab es noch den Audi A4 2.5 TDI mit 163 PS und den Audi A4 1.9 TDI mit 115 PS. Neu dazu kam der Audi A4 2.0 TDI mit 140 PS. Dieser verfügte mit einem Dieselpartikelfilter über 2 Ventile je Zylinder und ohne einen DPF über 4 Ventile je Zylinder. Außerdem kam noch der Audi A4 3.0 TDI mit 204 PS und Common-Rail-Einspritzung neu dazu. Alle Dieselmodelle des Audi A4 B7 erreichten die Abgasnorm Euro 4, egal ob mit DPF oder ohne. Ab 2006 verfügten mit der Einführung des Audi A4 2.7 TDI mit 180 PS und dem Wegfall des Audi A4 2.5 TDI alle Dieselmodelle über einen Dieselpartikelfilter. Für den Audi A4 2.0 TDI mit 140 PS, 16 Ventilen und ohne DPF kam der Audi A4 2.0 TDI mit 170 PS, 16 Ventilen und mit DPF. Außerdem erhielt der 3.0 TDI eine Leistungssteigerung auf 233 PS.
Mit der Einführung des Audi A4 B7 schaffte es auch der erste TFSI-Motor in einen A4. Als Audi A4 2.0 TFSI leistete der aufgeladene Direkteinspritzer 200 PS und später sogar 220 PS. Außerdem neu ins Programm kam der Audi A4 3.2 FSI, welcher aus seinem 3,2 l großen Hubraum mittels Direkteinspritzung 256 PS rausholte. Er verfügte über den gleichen Kettentrieb wie der 2,4 l-5V-Motor. Mit dem ab 2006 erhältlichen Spitzenmodell Audi RS4 mit 420 PS präsentierte die Audi AG den neuen, zum FSI weiterentwickelten 4,2 l-V8-Motor.
Sowohl beim Audi A4 B6 als auch beim Audi A4 B7 kamen 5- und 6-Gang-Schaltgetriebe sowie die stufenlose multitronic zum Einsatz. Die tiptronic (Wandlerautomatik) blieb den jeweiligen Spitzenmodellen vorbehalten und war dementsprechend nur mit dem permanenten Allradantrieb quattro erhältlich. Weder der B6 noch der B7 erhielten in ihrer Bauzeit ein Facelift, dafür erhielt der Audi A4 mit dem Modellwechsel vom B6 zum B7 erstmals den Singleframe-Kühlergrill.
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