A busca por motores de maior potência, maior torque, e melhor eficiência sempre foi perseguida por todos os fabricantes de motores. Alguns procurando ou focando mais em uma coisa e outros em outra. Entretanto cada fabricante acaba seguindo por uma solução tecnológica e em alguns casos a fixação por uma dessas soluções não é a mais bem sucedida.

Incrementando a eficiência e a potência

A mais importante variável que determina a capacidade de geração de potência de um motor é a massa de mistura admitida por ele por unidade de tempo. Nos motores de aspiração natural, a quantidade máxima de mistura admitida pelo motor é fixa e definida pela sua eficiência volumétrica para cada ponto de operação (rpm). Além disto, as perdas de carga no coletor de admissão dificulta manter alta eficiência volumétrica para uma grande faixa de utilização (este problema hoje é minimizado através de comando de válvula e coletores variáveis). Nos motores sobre-alimentados pode-se alterar a quantidade de mistura admitida no motor muito acima de sua eficiência volumétrica máxima e manter esta situação sob diferentes condições de densidade atmosférica. A função de um turbocompressor ou de um compressor é aumentar a densidade da mistura admitida e por conseqüência a massa de mistura admitida pelo motor. Os turbocompressores e/ou compressores aumentam a potência de um motor através de indução de pressão positiva no coletor de admissão. Desta forma, não só a massa de mistura admitida é maior, mas também é aumentada a taxa de compressão dinâmica do motor.
Abaixo está um gráfico empírico publicado pela Western Michigan University do ganho relativo de torque de um motor de ciclo Otto ou Diesel com adoção de sobre-alimentação.

Além de maior potência comparada a um motor de mesmo tamanho e construção, os motores sobre-alimentados têm a vantagem de ter uma maior faixa de alta eficiência volumétrica.
Outra vantagem comparativa é que por conta da utilização de motores menores sobre-alimentados (menos atritos, peso etc) com a mesma potência de motores maiores aspirados traz ganhos de consumo de combustível em condições de utilização em baixa carga, além de obter vantagens dinâmicas devido ao menor peso específico por cavalo vapor gerado.
Abaixo, novamente um gráfico desenvolvido pela Western Michigan University que generaliza a eficiência do uso de motores menores com superalimentação vis-à-vis motores maiores com a mesma potência.

Não convém entrar em detalhes técnicos do que vem a ser BSFC (Brake Specific Fuel Consumption), mas o que importa é que quanto menor, melhor. Reparem pelo gráfico mais à direita, que os motores sobre-alimentados são inferiores em eficiência somente sob alta carga sendo até 20% mais eficientes em cargas baixas e médias, onde mais de 90% do tempo o motor trabalha.
Além de eficiência os motores sobre-alimentados ainda têm a vantagem de estabilidade de performance sob diferentes condições ambientais. No gráfico abaixo se pode observar a perda de potência de motores aspirados em função da altitude:

Com o uso de wastegates e controles de pressão os motores turbo minimizam este efeito:

Para alcançar esta linearidade nos motores turbo, os motores modernos controlam a pressão de sobre-alimentação de modo que ela seja maior em baixas rotações e menor em altos giros, de forma que a quantidade de mistura que é admitida por unidade de tempo seja linear com o aumento da rotação, assim como nos motores aspirados. Entretanto para isso os pistões devem suportar a pressão máxima para qual o motor foi projetado. No caso das bielas, o efeito dominante sobre elas é o efeito inercial, e portanto o limite de giros é que vai determinar sua resistência. Nos gráficos abaixo estão uma análise de apenas um cilindro de um motor turbo a 3000rpm com pressão máxima de 1bar (torque máximo), e a 6500rpm sob regime de potência máxima com 0.5bar. Nos gráficos constam os esforços nos pistões, nas bielas e nos pinos:

Reparem como em baixa rotação, com mais pressão o pistão sofre 1000kPa a mais de pressão, mas as bielas estão sob muito menos estresse. Este fato é que proporciona aos motores turbo (de fábrica) ótimas bases para aumento de potência. Vamos supor que a linearidade passe a ser menos importante do que o desempenho. Pode-se então, se o fluxo do compressor permitir, aumentar a pressão em giros mais altos até que a pressão no pistão seja a mesma que em baixos giros sem ultrapassar o estresse nas bielas. O gráfico a seguir mostra isso:

Esta nova configuração elevou a potência de 450cv à 6500rpm para 515cv à 6300rpm sem aumentar o estresse máximo em nenhum componente do motor.

A tecnologia dos motores turbo está em fazer com que estes níveis de pressão sejam suportados e que se consiga fazer a exaustão destes gases do motor. Neste mesmo exemplo, o fluxo de 210g/segundo, o que exige grandes válvulas de exaustão aliadas a escapamentos de alta energia.

Conclusão

Uma vez solucionados os problemas de partida e aquecimento dos catalisadores para motores turbo, nenhuma vantagem será concedida aos aspirados. Os motores com compressor mecânico (os superchargers) de todos os tipos compartilham quase todas as vantagens mencionadas para o turbo, mas consomem potência do próprio motor para girá-los em troca de maior linearidade. O aumento de pressão também fica mais complicado, pois exige a troca de polias.