Ein Turbolader, auch Abgasturbolader (ATL) oder umgangssprachlich Turbo, dient der Leistungssteigerung von Kolbenmotoren durch Erhöhung des Gemischdurchsatzes pro Arbeitstakt, was durch einen Verdichter im Ansaugtrakt erreicht wird. Der Verdichter wird durch eine Abgasturbine angetrieben, die die Energie der Abgase nutzt. Turbolader können entweder den Druck (Stauaufladung) oder die Bewegungsenergie der Abgase (Stoßaufladung) als Energiequelle nutzen.
Der Erfinder des Turboladers ist der Schweizer Alfred Büchi, der im Jahre 1905 ein Patent über die Gleichdruck oder auch Stauaufladung anmeldete. Das erste serienmäßige Fahrzeug mit Turbolader wurde vom Schweizer LKW-Hersteller Saurer in Arbon am Bodensee mit aufgeladenem Dieselmotor hergestellt.
Bei nicht aufgeladenen Kolbenmotoren (Saugmotoren) wird beim Ansaugen von Luft durch die Kolben ein Unterdruck im Ansaugtrakt erzeugt. Der Unterdruck steigt mit wachsender Drehzahl an und begrenzt die erreichbare Leistung des Motors. Eine der Möglichkeiten, dem entgegenzuwirken, ist die Aufladung der Zylinder mittels eines Turboladers.
Ein Turbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichter, die sehr ähnlich aufgebaut sein können. Die Turbine und der Verdichter sind mit einer Welle verbunden. Die Turbine wird durch den Abgasstrom in Rotation versetzt und treibt über die Welle den Verdichter an, der Luft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft wird in den Motor geleitet. Durch den höheren Druck gelangt während des Ansaugtaktes eine größere Menge Luft in die Zylinder als bei einem Saugmotor. Damit steht mehr Sauerstoff für die Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung. Die führt zu einer Steigerung des Motor-Mitteldrucks und des Drehmoments, was die Leistungsabgabe erhöht. Wegen der größeren Gasmenge ist bei Otto-Turbomotoren meist eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses gegenüber vergleichbaren Saugmotoren nötig, da es sonst durch zu hohe Drücke und daraus resultierende hohe Temperatur zur unkontrollierten Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann (Klopfen).
Im Gegensatz zum Saugmotor, in welchem sich die Luft während des Ansaugens durch den Unterdruck adiabatisch abkühlt, kommt es bei aufgeladenen Motoren durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft. Je nach Grad der Aufladung kann bei Serienmotoren die komprimierte Luft dadurch auf etwa 120 bis 150 °C erwärmt werden. Neben der zusätzlichen Temperaturbelastung des Motors, verringert sich dadurch auch die erreichbare Leistung, da sich der Füllungsgrad des Motors verschlechtert. Der Grund dafür ist die geringere Dichte der heißen Luft, wodurch dem Motor eine geringere Sauerstoffmenge zugeführt wird. Um das zu vermeiden, wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren durch Ladeluftkühler gekühlt. Da der Ladeluftkühler dem Strom der Ladeluft einen gewissen Widerstand entgegensetzt und so den vom Verdichter erzeugten Druck etwas vermindert, sollte die Temperaturdifferenz der Ladeluftkühlung größer als 50 K sein, um eine wirksame Leistungssteigerung gegenüber einem Motor ohne Ladeluftkühlung zu erzielen. Um die thermische Belastung bei Volllast zu verringern, kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch zusätzlichen Kraftstoff angereichert werden. Bei Motoren, bei denen eine möglichst hohe Leistungsabgabe Vorrang vor der Lebensdauer hat, kann die Ladeluft auch durch eine zusätzliche Wassereinspritzung oder Einspritzung eines Wasser-Alkohol-Gemisches direkt in den Ansaugtrakt gekühlt werden, was eine weitere Steigerung der Leistung ermöglicht.
Für Turbinen beziehungsweise Verdichter kommen Flügel- oder Schaufelräder zum Einsatz, die Strömungsenergie in eine Drehbewegung umsetzen bzw. beim Verdichter umgekehrt die Drehbewegung in Strömungsarbeit. Moderne Turbolader können Drehzahlen bis zu 290.000 Umdrehungen pro Minute erreichen (z. B. smart Dreizylinder-Turbodiesel). Diese Drehzahlen können nur erreicht werden, weil die Turboladerwelle in einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert ist. Einige Turbolader besitzen neben den Ölversorgungsanschlüssen auch Anschlüsse an den Wasserkreislauf für Kühlzwecke. Durch die Entwicklung von keramischen Kugellagern werden die Turbolader robuster und haltbarer. Dabei gibt es ein oder zwei Keramiklager zusätzlich zur Gleitlagerung. Kugelgelagerte Turbolader haben eine geringere Gleitreibfläche, was sie schneller ansprechen lässt. Dadurch erfolgen ein schnellerer Drehzahlanstieg des Laders und ein früher einsetzender Ladedruck.