1890年，狄塞爾回到德國，到奧格斯堡機器製造廠工作。從這時起，他全力投入到內燃機的研究之中，決心製造出一部經濟實用、效率更高的新型熱力發動機。
當時，無論從理論上或者技術上來說，研製內燃機的條件都已經完全具備了。前麵已經提到，將熱力發動機從外部燃燒方式改變為內部燃燒方式，從而提高效率，這方麵的研究工作早就有人進行了。裏諾在1860年發明的煤氣機，應用價值不高。1862年，法國人德羅夏提出了四衝程內燃機的理論。理論問題解決了，但是要製造出能夠實際應用的內燃機，卻不是一件容易的事情。直到1876年，有一位名叫奧托的德國工程師，才根據德羅夏的理論，經過反複研究試驗，對裏諾的煤氣機進行重大改造，製成了一台四衝程內燃機，使熱效率提高到了14％。但是，奧托的內燃機仍然用煤氣作燃料，缺點不少。1883年，德國的另一位工程師戴姆勒製成了汽油發動機，進一步提高了效率。
狄塞爾早在大學學習期間，就已經萌發了研製內燃機的想法。這時，奧托和戴姆勒的成功又使他受到極大的鼓舞。於是，他便在奧托和戴姆勒發明的內燃機的基礎上，進一步深入研究。狄塞爾雄心勃勃，希望超過他們。為了使發動機得到更廣泛的應用，他打算使用價格低廉的燃料，作為內燃機的熱能來源。
起初，狄塞爾也曾試圖使用煤粉作燃料，設計出煤粉壓燃式內燃機，並於1892年獲得了專利。但這種內燃機在實際操作中並不成功。經過實驗，發現利用壓縮點火方法實現煤粉燃料，非常困難。於是，他便放棄煤粉，改用柴油作為內燃機的燃料了。
不過，使用柴油作燃料，仍然遇到了很多困難。例如：汽油的燃點(也叫“著火點”或“發火點”)低，容易點燃；而柴油的燃點比汽油要高，不容易點燃。因此。利用柴油作燃料，必須解決怎樣在汽缸裏點燃柴油的問題。
狄塞爾不畏困難，積極進取。他深入鑽研卡諾等人的有關理論，反複進行計算和實驗，終於找到了解決問題的辦法：他將自己的研究心得加以總結，於1892年寫成了題為《合理的熱機的理論和設計》的論文。這篇論文發表後，得到了工程界和一些著名教授的重視。
狄塞爾在這篇論文中提出的“合理的熱機”，就是他設計的一種新型內燃機。他認為，這種新型內燃機，可以代替蒸汽機以及當時正在使用的其他內燃機。那麼，這種新型內燃機是怎樣操作的呢?按照狄塞爾的設計，先向汽缸內送人空氣，然後強力壓縮空氣，使空氣的溫度升高。接著，向汽缸內噴人柴油。在高溫高壓之下，柴油就會自然著火。汽缸內的溫度由於柴油的燃燒而變得更高，使氣體急劇膨脹，從而推動活塞做功。
這種內燃機不用設置點火裝置，因此就結構來說比汽油發動機更為簡化了。同時，它開始吸進汽缸內的是純淨的空氣，而不是空氣與燃料的混合物，因此，在加大壓縮壓力時，不會發生“爆燃”。這樣，也就可以提高壓縮壓力，使壓縮的空氣溫度達到或超過柴油的燃點，引燃柴油。狄塞爾認為，柴油燃燒時火力很強，因此，使用柴油的內燃機，是一種輸出功率很大的發動機。
新式內燃機雖然研究設計出來了，但要把它製造出來，還有很長一段路程。首先麵臨的是經費問題。為此，狄塞爾又不得不到各地去進行宣傳。他耐心地向工廠老板們介紹這種機器的性能、優點和實用價值，希望得到他們資助。經過不懈努力，他終於說服了克虜伯公司和奧格斯堡機器製造廠的老板?他們表示，願意在資金方麵給予合作。要做成一件事，是多麼不容易啊!