Frappé par le faible rendement des machines à vapeur qu’il a pu découvrir aux Arts et Métiers, Diesel imagine un moteur dont le cycle se rapproche de celui proposé par Carnot en introduisant le combustible directement dans de l’air chaud fortement comprimé. Le surplus de chaleur se transforme en travail externe pendant la combustion et la forte détente de l’air qui s’en suit. Le moteur est au point en 1897, après quatre ans d’essais. À la houille finement pulvérisée, Diesel a substitué du fuel injecté par de l’air comprimé. Son moteur a un rendement effectif d’une valeur jamais égalée. Contrairement aux moteurs à essence, le processus de combustion est ici contrôlé par une loi d’injection qui règle le débit de combustible pénétrant dans le cylindre pour s’enflammer spontanément au contact de l’air chaud. Les fortes pressions qui en résultent, contrepartie du rendement élevé, imposent un surdimensionnement des pièces. Aujourd’hui, avec les systèmes d’injection électronique directe, le moteur Diesel atteint un niveau de fiabilité et de performance qui lui a permis de remporter les 24 Heures du Mans.