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Das Topmodell des neuen CTS erhält den von General Motors neu entwickelten V6 mit 3,6 Litern Hubraum und Direkteinspritzung. Das komplett aus Leichtmetall entwickelte Triebwerk leistet 300 PS bei 6700 U/min und liefert ein maximales Drehmoment von 366 Nm bei 4000 U/min.
Der neue CTS ist erstmals sowohl mit Heckantrieb als auch erstmals mit Allradantrieb verfügbar. Bei der Kraftübertragung kommen ausschliesslich Sechsganggetriebe zum Einsatz. Das gilt für das manuelle Schaltgetriebe des japanischen Getriebespezialisten Aisin wie für die Hydra-Matic 6L50-Sechsgang-Automatik von General Motors. Das manuelle Sechsgang-Schaltgetriebe von Aisin stellte Cadillac erstmals 2005 vor. Es verfügt über eine volle Synchronisation aller Gangstufen und einen zuschaltbaren Overdrive, der die Drehzahl senkt, Geräusche und Vibrationen reduziert.
Die Hydra-Matic 6L50-Sechsgangautomatik entspricht der Kraftübertragung, die Cadillac 2005 in Verbindung mit dem CTS-V präsentierte. Das Entwicklungsziel lag bei der Übertragung hoher Antriebsmomente, der wirksamen Senkung der Drehzahl in höheren Gangstufen und einer spürbaren Verringerung des Kraftstoffverbrauchs. Für die Versionen des CTS, die mit dem neuen Allradantrieb ausgestattet sind, ist die Automatik mit einer Sperre kombiniert, die bei Schlupf automatisch Antriebskraft von der Hinter- auf die Vorderachse verteilt. Ein Sperrdifferential ist ebenfalls verfügbar.