簡單來說，瓦特的核心貢獻(xiàn)是 “將冷凝過程從汽缸中分離出來”。

 

 

1. 獨(dú)立的分離式冷凝器 - 最核心的發(fā)明

 

紐科門機(jī)的問題：在紐科門蒸汽機(jī)中，同一個(gè)汽缸既負(fù)責(zé)膨脹做功，又負(fù)責(zé)冷凝蒸汽。工作時(shí)，需要向炙熱的汽缸內(nèi)噴射冷水，使蒸汽冷凝形成真空，從而由大氣壓力推動(dòng)活塞。下一次做功前，又需要重新加熱汽缸，以避免蒸汽在進(jìn)入時(shí)再次冷凝。這個(gè)過程反復(fù)加熱和冷卻汽缸，造成了巨大的熱量浪費(fèi)和燃料消耗。

瓦特的改良：約在1765年，瓦特想到了關(guān)鍵點(diǎn)子：讓冷凝過程在一個(gè)與汽缸分開的容器里進(jìn)行。他增加了一個(gè)獨(dú)立的容器——冷凝器。

工作原理：蒸汽在汽缸中推動(dòng)活塞做功后，會(huì)被閥門導(dǎo)入到一個(gè)始終保持低溫的獨(dú)立冷凝器中進(jìn)行冷凝。而汽缸則通過蒸汽夾套等措施始終保持高溫。

帶來的好處：

  熱效率大幅提升：避免了汽缸的反復(fù)冷熱交替，熱量損失大大減少。瓦特蒸汽機(jī)的效率比紐科門蒸汽機(jī)提高了4倍以上。

  燃料消耗大幅降低：節(jié)省了約75%的燃料，使得蒸汽機(jī)在煤礦之外的其他地區(qū)和應(yīng)用中也變得經(jīng)濟(jì)可行。

 

2. 汽缸的密封與隔熱

 

紐科門機(jī)的問題：汽缸加工精度不高，與活塞之間存在較大縫隙，通?？恳粚铀畞砻芊?，密封效果差，會(huì)導(dǎo)致漏氣和能量損失。

瓦特的改良：瓦特與發(fā)明家約翰·威爾金森合作，后者改進(jìn)了鏜床，可以加工出內(nèi)壁非常光滑和圓潤的汽缸。這使得活塞與汽缸壁能夠緊密結(jié)合，大大減少了蒸汽泄漏。同時(shí)，他給汽缸加上蒸汽夾套進(jìn)行保溫，進(jìn)一步減少了熱量損失。

 

3. 將往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)（太陽與行星齒輪）

 

紐科門機(jī)的問題：紐科門蒸汽機(jī)最初設(shè)計(jì)主要用于抽水，其活塞只能做簡單的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用范圍非常有限。

瓦特的改良：1781年，瓦特發(fā)明了“太陽與行星齒輪”機(jī)構(gòu)（Sun and planet gear）。這個(gè)巧妙的裝置成功地將活塞的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為了旋轉(zhuǎn)軸的圓周運(yùn)動(dòng)。

帶來的好處：

  應(yīng)用范圍革命性擴(kuò)大：蒸汽動(dòng)力可以驅(qū)動(dòng)各種旋轉(zhuǎn)式的機(jī)器，如紡織機(jī)、磨粉機(jī)、車床等，為整個(gè)工業(yè)提供了萬能動(dòng)力，真正引爆了工業(yè)革命。

 

4. 雙向進(jìn)氣（雙動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)）

 

紐科門機(jī)的問題：紐科門機(jī)是“單動(dòng)”的，即只有活塞的一側(cè)進(jìn)氣做功（靠大氣壓力推動(dòng)返回），功率有限。

瓦特的改良：1782年，瓦特發(fā)明了雙動(dòng)式發(fā)動(dòng)機(jī)。他讓蒸汽交替地進(jìn)入汽缸的活塞兩側(cè)：一側(cè)進(jìn)氣推動(dòng)活塞時(shí)，另一側(cè)則排氣并冷凝。

帶來的好處：

  功率翻倍：活塞的每一次行程都由蒸汽推動(dòng)，而不再依賴大氣壓力，使得輸出功率顯著增加。

  運(yùn)行更平穩(wěn)：雙動(dòng)式設(shè)計(jì)需要新的方法將活塞的力傳遞出去，這促使瓦特發(fā)明了平行連桿機(jī)構(gòu)和離心式調(diào)速器，后者能自動(dòng)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)氣量以穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

 

5. 平行連桿機(jī)構(gòu)與離心調(diào)速器

 

平行連桿：為了將雙動(dòng)式活塞的力有效地傳遞出去，瓦特發(fā)明了平行連桿機(jī)構(gòu)，這是一個(gè)非常堅(jiān)固和高效的動(dòng)力傳輸裝置，成為了瓦特蒸汽機(jī)的標(biāo)志性外觀之一。

離心調(diào)速器：為了自動(dòng)保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定（尤其在負(fù)荷變化時(shí)），瓦特借鑒了磨坊中使用的技術(shù)，引入了離心調(diào)速器（兩個(gè)飛球）。轉(zhuǎn)速過快時(shí)，飛球升高會(huì)關(guān)小進(jìn)氣閥門；轉(zhuǎn)速過慢時(shí)，飛球下降會(huì)開大進(jìn)氣閥門。這是自動(dòng)控制系統(tǒng)的早期杰出應(yīng)用。