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Su primera preocupación en materia de motores fue el desarrollo de un motor de combustión interna cuyo rendimiento energético se aproximara lo máximo posible al rendimiento teórico de la máquina ideal propuesta por Sadi Carnot. En 1890, año en que se trasladó a Berlín para ocupar un nuevo cargo en la empresa de Von Linde, concibió la idea que a la postre se traduciría en el motor que lleva su nombre. Obtuvo la patente alemana de su diseño en 1892, y un año después publicó, con el título Theorie und Konstruktion eines rationellen Wäremotors, una detallada descripción de su motor.
Con el patrocinio de la Maschinenfabrik Augsburg y de las industrias de la familia Krupp, Diesel produjo una serie de modelos cada vez más eficientes que culminó en 1897 con la presentación de un motor de cuatro tiempos capaz de desarrollar una potencia de 25 caballos de vapor. La alta eficiencia de los motores Diesel, unida a un diseño relativamente sencillo, se tradujo rápidamente en un gran éxito comercial, que reportó a su creador importantes beneficios económicos.
Conocido sobre todo por ser el inventor de este nuevo motor de combustión interna, Rudolf Diesel se distinguió también como sociólogo, lingüista y experto en arte. Fue visto por última vez en la cubierta del vapor Dresden en ruta hacia el Reino Unido a través del canal de la Mancha, por lo que se asumió su fallecimiento en alta mar a causa de un accidente.