Als Biturbo und „Twin Turbo“ bezeichnet man die parallele Verwendung von zwei Ladern. Bi ist die lateinische Vorsilbe für zwei, Twin bedeutet „Zwilling“ (englisch). Bei dieser Konstruktionsform werden anstelle eines einzelnen größeren zwei kleinere Lader verwendet. So würde bei einem Vierzylinder-Biturbo-Motor jeder Turbolader von zwei Zylindern mit Abgas versorgt werden. Durch die Verwendung von zwei kleineren Ladern mit entsprechend geringeren Trägheitsmomenten kann das Ansprechverhalten beim Gasgeben verbessert werden. In geringem Umfang wurden auch Motoren mit mehr als zwei Turboladern entwickelt, um eine weitere Verbesserung des Ansprechverhaltens zu erreichen. So kam beim Bugatti EB110 ein Vierfachturbo zum Einsatz.
Bei einem sequenziellen Biturbo werden nicht beide Turbinen ständig durch das Abgas angetrieben, sondern die zweite Turbine wird erst bei entsprechendem Leistungsbedarf zugeschaltet und treibt dann den zweiten Verdichter an. Ist das geschehen, arbeiten die Lader nach dem Prinzip des Biturbo parallel. Vorteil dieser Technik ist, dass in den niedrigen Lastbereichen das gesamte Abgas auf nur eine Turbine wirkt, was den Wirkungsgrad des Laders verbessert. Der 2,2-l-Dieselmotor von Ford/PSA (DW12BTED4) ist mit diesem System ausgerüstet.
Als Registeraufladung bezeichnet man die parallele, abwechselnde Verwendung von Turboladern. Dabei wird ein kleinerer Lader, der aufgrund der geringen Massenträgheit schnell hochdreht, für niedrige Drehzahlen verwendet. Ab einer bestimmten Drehzahl wird auf einen großen Turbolader umgeschaltet, der dann genügend Luftmasse und Druck für das hohe Luftvolumen höherer Drehzahlen bereitstellt. Die verschiedenen Turbolader können optimal auf ihren Wirkungsbereich abgestimmt werden, und der kleine Lader minimiert das so genannte Turboloch: Bei niedrigen Drehzahlen war der zumeist große Lader nicht in der Lage, eine gewisse Drehzahl zu erreichen, um damit einen Überdruck im Ansaugbereich aufzubauen. Unterhalb dieser kritischen Marke arbeitet ein normaler Turbomotor wie ein Saugmotor. Die Register-Aufladung ist im Automobilbau allerdings bis heute nur selten anzutreffen. Erstes Serienfahrzeug mit Register-Turbo war der Porsche 959.
Es kommen auch Aufladekonzepte zum Einsatz, bei denen es sich technisch gesehen um Kombinationen aus Registeraufladung und mehrstufiger Aufladung handelt, so bei den Motoren in den BMW-Modellen 535d (Baureihe E60/61), 335d, 123d und bei den 129-PS- und 150-PS-Dieselmotoren des neuen Mercedes-Benz Sprinters. Hierbei arbeiten die Verdichter des kleineren und des größeren Laders in Reihe auf der Ansaugseite. Wird wenig Leistung benötigt, wird die Luft nur durch den Verdichter des kleineren Laders komprimiert. Bei höherer Last wird dann durch Steuerung des Abgasstroms und geregelte Überbrückung des ersten Verdichters der größere Lader wirksam. Durch eine Kennfeldregelung der Gassteuerung auf der Abgas- wie auf der Frischgasseite im Zusammenspiel mit der Kraftstoffeinspritzung können Drehmomentschwankungen im Übergangsbereich weitgehend unterdrückt werden.
Bei einer mehrstufigen Aufladung wird die Luft durch mehrere hintereinander geschaltete Verdichter komprimiert. Die so erreichbaren Verdichtungsverhältnisse sind nur unter Bedingungen stark verringerten Außendrucks sinnvoll einsetzbar, so dass diese Technik nur bei der Entwicklung von Flugmotoren eine Rolle spielte.
Bei mehrstufiger Aufladung werden meist mechanische Lader und Turbolader kombiniert. So enthielt der Versuchsmotor Daimler Benz DB624 (Prüfstandserprobung ab 1944) eine Kombination aus zwei mechanischen Getriebeladern und einem Abgasturbolader. Die konzipierte Volldruckhöhe lag bei 15.000 bis 17.000 Metern. Beim Antrieb des ab 1989 entwickelten Höhenforschungsflugzeugs Grob Strato 2C war ein mehrstufiger Lader vorgesehen, wobei das Abgas des Motors sowohl einen Abgasturbolader als auch den Niederdruck- und Mitteldruckverdichter eines Turboproptriebwerks antreiben sollte, dessen Komponenten in der Triebwerksgondel untergebracht waren. Der Hersteller nannte diese Motor-Verdichterkombination „Compound“-Antrieb. Nach dem Passieren des Turboladers wurde das Abgas in die Turbinensektion des Turboprop-Verdichters geleitet. Die von den Verdichterstufen komprimierte Luft wurde dem Verdichter des Turboladers und dann dem Motor zugeführt. Das Verdichtungsverhältnis betrug maximal 1:45, was großvolumige Ladeluftkühler notwendig machte. Die konzipierte maximale Flughöhe lag bei 24.000 Metern. Das Projekt wurde jedoch aus finanziellen und politischen Gründen nicht verwirklicht.
Die Turbocompound-Technologie kombiniert einen herkömmlich arbeitenden ATL mit einer zweiten, nachgeschalteten Abgasturbine, die ihrerseits mechanisch mit der Kurbelwelle verbunden ist.
Diese zweite Turbine nutzt die Energie des nach dem Austritt aus dem ersten Lader immer noch heißen Abgases. Resultat ist ein nochmals höheres Drehmoment bei insgesamt nochmals gesteigerter Energieausnutzung, also eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads.
Bei Ottomotoren mit äußerer Gemischbildung ist der Ladedruck durch die entstehende Verdichtungswärme des Treibstoff-Luftgemisches im 2. Takt begrenzt. Eine Überschreitung bedeutet ungesteuerte Selbstentzündung und damit Motorklopfen oder Motorklingeln. Der Klopfbeginn kann mittels hochoktanigem Treibstoff, durch einen effektiven Ladeluftkühler oder durch Wasser-Methanol-Einspritzung nach oben versetzt werden. In den meisten Fällen werden jedoch die Steuerzeiten verändert und die Verdichtung herabgesetzt, um diesem Effekt vorzubeugen.
Bei Dieselmotoren für PKW wie auch für LKW ist der Abgas-Turbolader mittlerweile „Stand der Technik“, da sich beim Diesel nur durch Turboaufladung dem (Benzin-)Ottomotor angenäherte Literleistungen erreichen lassen. Ohne Turboaufladung müsste ein vergleichbar leistungsfähiger Motor nahezu den doppelten Hubraum und somit wesentlich höheres Gewicht aufweisen. Zudem verlagert die spezifische Drehmoment-Charakteristik eines Turbo-Diesels im Vergleich zum Saug-Diesel den Bereich maximaler Kraftentfaltung in niedrigere Drehzahlbereiche. Dadurch bieten solche Motoren eine hohe „Elastizität“, so dass zum Beschleunigen seltener in niedrigere Gänge geschaltet werden muss.
Prinzipbedingt benötigen Dieselmotoren keine Drosselklappe. Daher liegt auch bei Schubbetrieb ein Gasstrom am Turbolader an. Damit sinkt die Drehzahl der Turbine nicht soweit ab wie bei einem Ottomotor, was das Ansprechverhalten bei Lastwechseln verbessert. Dieseltechnik ist somit sehr gut geeignet für den wirkungsvollen Einsatz eines Turboladers. Daneben weisen Dieselmotoren einen höheren Wirkungsgrad, niedrigere Drehzahlen und eine geringere Abgastemperatur auf, daher ist das Material des Diesel-Turboladers weniger hohen Belastungen ausgesetzt.
Großdieselmotoren wurden schon frühzeitig mit Turboladern bzw. externen Kompressoren ausgestattet (z. B. Schiffsdieselmotoren erstmals 1925). Auch bei den ersten Diesellokomotiven Ende der 1930er-Jahre wurden Abgasturbolader eingesetzt. Für LKW stattete MAN 1951 einen Motor mit einem selbst entwickelten Turbolader aus, wobei der 8,72-Liter-Motor in der Leistung von 130 auf 175 PS gesteigert wurde. Der LKW-Produzent Volvo baute ab 1954 einen Turbolader in seine Motoren ein, der wegen seiner Zuverlässigkeit den Durchbruch im LKW-Motorenbau brachte. Bei einem sehr hohen Anteil der ausgelieferten großen Nutzfahrzeuge werden seit den 1960er-Jahren Turbolader eingesetzt. In Personenkraftwagen werden seit 1979 Dieselmotoren mit Turboladern ausgestattet. Im europäischen Raum haben seit 1988 Personenkraftwagen mit Diesel-Turboladermotoren mit Ladeluftkühler und Direkteinspritzung eine sehr große Bedeutung erlangt.
Serien-PKW mit aufgeladenen Ottomotoren kamen erstmals Anfang der 1960er Jahre in Form des Oldsmobile Turbo Jetfire (V8, Hubraum: 215 cui ≈ 3,5 Liter, 160 kW, 218 SAE-PS; für diverse Modelle) und Chevrolet Corvair Spyder (Sechszylinder Boxer Turbo, Hubraum: 145 cui; ≈ 2,4 Liter, 110 kW, 150 SAE-PS) auf den Markt.
In Europa rüstete der Schweizer Ingenieur und Unternehmer Michael May ab 1966 zunächst Ford Capri und später auch andere Pkw-Modelle mit Turboladern aus. In Deutschland gingen 1973 mit dem „BMW 2002 turbo“ und 1975 mit dem „Porsche 911 turbo“ turbogetriebene Pkw in Serienproduktion.
Ottomotoren werden nur zu geringen Anteilen mit Aufladung versehen, auch wenn in jüngster Zeit eine deutliche Zunahme zu verzeichnen ist, bevorzugt bei leistungsstarken Modellen. Der Trend geht jedoch zu so genannten Downsizing-Konzepten, bei denen kleinere Aggregate mit Aufladung an die Stelle größerer nicht aufgeladener Motoren treten. Ziele beim Downsizing (dt. Verkleinerung) ist eine Verbrauchsreduzierung durch eine Entdrosselung des Motors. Weitere Vorteile ergeben sich aus vermindertem Gewicht und einer verminderten Reibung.
Aufgeladene Motoren – sowohl Benziner als auch Diesel – sind in der Herstellung meist teurer als vergleichbare Sauger, zudem regelungstechnisch komplex (Steuerung der druckmindernden Ventile wie das Wastegate oder das Umluftventil). Das bei Ottomotoren meist stärker als bei Dieselmotoren auftretende so genannte „Turbo-Loch“, das sich hauptsächlich im unteren Drehzahlbereich beim auf Schubphasen folgenden Gasgeben als Drehmoment-Schwäche zeigt, konnte durch Fortschritte bei der Konstruktion (Variable Turbinengeometrie, kleinere und somit schneller ansprechende Lader, leichtere Schaufelräder mit geringerer Massenträgheit) und in der Regelungstechnik stark reduziert werden.
Der im Zusammenhang mit Turboladern nicht selten vorgebrachte Kritikpunkt des höheren Verbrauchs relativiert sich heute meist zu einem höheren absoluten Verbrauch des stärkeren Turbomotors. Moderne Turbo-Benzinmotoren verbrauchen bei optimaler Auslegung spezifisch weniger Kraftstoff als Saugmotoren gleicher Leistung (gemessen in Gramm/Kilowattstunde, früher in Gramm/PS-Stunde). Auch in der Formel 1 war der (heute dort laut Reglement untersagte) Turbomotor dem Saugmotor im spezifischen Verbrauch überlegen. Eine absolut höhere Leistung verursacht jedoch naturgemäß auch einen höheren absoluten Kraftstoffverbrauch.
Hersteller von Ottomotoren mit Turboaufladung sind zum Beispiel Audi, Bentley, BMW, Bristol, Fiat, Ford, Mercedes-Benz, Opel, Porsche, Renault, Saab, Seat, smart, Subaru, Toyota, Volkswagen oder Volvo.
Volkswagen führte Mitte 2005 die TSI-Technik ein (Golf GT, 1,4-Liter-Motor mit 125 kW, 170 PS). Dabei werden ein Turbolader und ein Roots-Kompressor zusammen an einen Ottomotor mit Direkteinspritzung eingebaut. Der Kompressor arbeitet im unteren Drehzahlbereich, während im oberen ab ca. 3000 min der Turbolader die Aufladung übernimmt. Die (spezifische) Literleistung des damit ausgerüsteten Motors liegt bei etwa 90 kW/122 PS. Allerdings ist dieses Konzept (abgesehen von der Kombination mit einer geschichteten Benzindirekteinspritzung) nur in der Großserie völlig neu. Lancia hat schon 1985 im Motorsport (für die „Gruppe B“) ein mittels ATL und Kompressor aufgeladenes Aggregat entwickelt und diesen Motor in den laut Homologations-Regeln vorgeschriebenen 200 Serienmodellen des Lancia Delta S4 eingesetzt. Nissan verbaute 1988 in einer Motorsport-Kleinserie des Modells Micra ebenfalls einen solchen Motor, der allerdings aus nur 0,9 Litern Hubraum 110 PS und ein spezifisches Drehmoment von 144 Nm/l bei 4800 min erzielte. Der aktuelle VW-Motor mit 1,4 Litern Hubraum und Doppel-Aufladung erreicht ein spezifisches Drehmoment von über 170 Nm/l bei 1750 min.
Anfang der 1980er Jahre wurden auch Serienmotorräder (Honda CX 500 Turbo, Yamaha XJ 650 Turbo) ohne großen Markterfolg mit Turboladern versehen, wobei eher preisliche Gründe den Durchbruch am Markt verhinderten.