简单来说，瓦特的核心贡献是 “将冷凝过程从汽缸中分离出来”。

 

 

1. 独立的分离式冷凝器 - 最核心的发明

 

纽科门机的问题：在纽科门蒸汽机中，同一个汽缸既负责膨胀做功，又负责冷凝蒸汽。工作时，需要向炙热的汽缸内喷射冷水，使蒸汽冷凝形成真空，从而由大气压力推动活塞。下一次做功前，又需要重新加热汽缸，以避免蒸汽在进入时再次冷凝。这个过程反复加热和冷却汽缸，造成了巨大的热量浪费和燃料消耗。

瓦特的改良：约在1765年，瓦特想到了关键点子：让冷凝过程在一个与汽缸分开的容器里进行。他增加了一个独立的容器——冷凝器。

工作原理：蒸汽在汽缸中推动活塞做功后，会被阀门导入到一个始终保持低温的独立冷凝器中进行冷凝。而汽缸则通过蒸汽夹套等措施始终保持高温。

带来的好处：

  热效率大幅提升：避免了汽缸的反复冷热交替，热量损失大大减少。瓦特蒸汽机的效率比纽科门蒸汽机提高了4倍以上。

  燃料消耗大幅降低：节省了约75%的燃料，使得蒸汽机在煤矿之外的其他地区和应用中也变得经济可行。

 

2. 汽缸的密封与隔热

 

纽科门机的问题：汽缸加工精度不高，与活塞之间存在较大缝隙，通常靠一层水来密封，密封效果差，会导致漏气和能量损失。

瓦特的改良：瓦特与发明家约翰·威尔金森合作，后者改进了镗床，可以加工出内壁非常光滑和圆润的汽缸。这使得活塞与汽缸壁能够紧密结合，大大减少了蒸汽泄漏。同时，他给汽缸加上蒸汽夹套进行保温，进一步减少了热量损失。

 

3. 将往复运动变为圆周运动（太阳与行星齿轮）

 

纽科门机的问题：纽科门蒸汽机最初设计主要用于抽水，其活塞只能做简单的上下往复运动，应用范围非常有限。

瓦特的改良：1781年，瓦特发明了“太阳与行星齿轮”机构（Sun and planet gear）。这个巧妙的装置成功地将活塞的直线往复运动转换为了旋转轴的圆周运动。

带来的好处：

  应用范围革命性扩大：蒸汽动力可以驱动各种旋转式的机器，如纺织机、磨粉机、车床等，为整个工业提供了万能动力，真正引爆了工业革命。

 

4. 双向进气（双动式发动机）

 

纽科门机的问题：纽科门机是“单动”的，即只有活塞的一侧进气做功（靠大气压力推动返回），功率有限。

瓦特的改良：1782年，瓦特发明了双动式发动机。他让蒸汽交替地进入汽缸的活塞两侧：一侧进气推动活塞时，另一侧则排气并冷凝。

带来的好处：

  功率翻倍：活塞的每一次行程都由蒸汽推动，而不再依赖大气压力，使得输出功率显著增加。

  运行更平稳：双动式设计需要新的方法将活塞的力传递出去，这促使瓦特发明了平行连杆机构和离心式调速器，后者能自动调节蒸汽进气量以稳定发动机的转速。

 

5. 平行连杆机构与离心调速器

 

平行连杆：为了将双动式活塞的力有效地传递出去，瓦特发明了平行连杆机构，这是一个非常坚固和高效的动力传输装置，成为了瓦特蒸汽机的标志性外观之一。

离心调速器：为了自动保持发动机转速的稳定（尤其在负荷变化时），瓦特借鉴了磨坊中使用的技术，引入了离心调速器（两个飞球）。转速过快时，飞球升高会关小进气阀门；转速过慢时，飞球下降会开大进气阀门。这是自动控制系统的早期杰出应用。