تاريخ المحرك البخاري
محركات التكاثف الجوية > مكثفة واط المنفصلة

في أثناء عمله في جامعة غلاسغو صانعًا للأدوات ورجل صيانة في عام 1759، تعرف جيمس واط على قوة البخار عن طريق الأستاذ جون روبيسون. بدأ واط المذهول بقراءة كل ما يمكنه عن هذا الموضوع، وطور مبدأ الحرارة الكامنة وحده بشكل مستقل عما نشره جوزيف بلاك حديثًا في نفس الجامعة. عندما علم واط بامتلاك الجامعة نموذجًا صغيرًا عاملًا لمحرك نيوكومن، ضغط لاستعادته من لندن حيث كانوا يحاولون إصلاحه دون جدوى. أصلح واط الآلة، ولكنه وجد أنها بالكاد تعمل حتى عند إصلاحها بالكامل.
بعد العمل على التصميم، استنتج واط أن 80% من البخار الذي يستخدمه المحرك كان يُهدر بلا فائدة. بدلًا من أن يوفر قوة دفع، كان يسخّن الأسطوانة وحسب. في تصميم نيوكومن، كان كل شوط قدرة يبدأ برذ الماء البارد، الذي كان يبرد جدران الأسطوانة بالإضافة إلى تكثيفه البخار. كان يجب تعويض هذه الحرارة قبل أن تبدأ الأسطوانة بقبول البخار من جديد، لذا فعند إعادة فتح صمام البخار، كانت الأغلبية العظمى منه تتكاثف على الجدران الباردة فور دخولها إلى الأسطوانة. كان الموضوع يتطلب مقدارًا معتدًا به من الوقت والبخار قبل إعادة تسخين الأسطوانة وبدء البخار بملئها.
حل واط مشكلة رذاذ الماء بإزالة الماء البارد إلى أسطوانة مختلفة، تقع بقرب أسطوانة القدرة. فور اكتمال شوط السحب، يفتح صمام بين الأسطوانتين، وأي بخار يدخل الأسطوانة سيتكاثف داخل هذه الأسطوانة الباردة. سيخلق هذا خلاءً يسحب مزيدًا من البخار إلى الأسطوانة، وهكذا إلى أن يتكاثف البخار بمعظمه، وعندها يغلق الصمام، ويستمر عمل الأسطوانة الأساسية كما في محرك نيوكومن التقليدي. بما أن أسطوانة القدرة بقيت في هذه الحالة بدرجة حرارة العمل خلال كامل العملية، فالنظام مستعد لشوط آخر فور عودة المكبس إلى الأعلى. كانت الأسطوانة تُغلف بمعطف في مكان دخول البخار للحفاظ على درجة الحرارة. أنتج واط نموذجًا عاملًا في عام 1765.
مقتنعًا بأن هذا تطوير عظيم ومهم، دخل واط في شراكات لتوفير رأس مال مُخاطر في حين عمل على التصميم. عمل واط وهو غير مقتنعٍ بهذا التحسين الوحيد على سلسلة من التحسينات الأخرى لكل جزء من المحرك عمليًا. زاد واط تطوير النظام بإضافة مضخة تخلية هواء لسحب البخار من الأسطوانة إلى المكثف، محسنًا بذلك أوقات الدورة بشكل أكبر. من تغييراته الأكبر على تصميم نيوكومن إغلاقُ الجزء العلوي من الأسطوانة وإدخال البخار منخفض الضغط فوق المكبس. لم تعد القدرة بذلك ناتجة عن الفرق بين الضغط الجوي والخلاء، بل عن ضغط البخار والخلاء، وهي قيمة أكبر إلى حد ما. في شوط العودة إلى الأعلى، كان البخار في الأعلى يُنقل عبر أنبوب إلى الجزء السفلي من المكبس جاهزًا ليتكاثف لأجل الشوط المتجه إلى الأسفل. كان الإحكام في محرك نيوكومن يتحقق بالحفاظ على كمية صغيرة من الماء على الجزء العلوي. لم يعد هذا ممكنًا في محرك واط بسبب وجود البخار. عمل واط جاهدًا ليجد طريقة إحكام تنفع، إلى أن استخدم مزيجًا من الزيت والشحم. كانت ذراع المكبس تمر أيضًا عبر غدة محكمة بنفس الطريقة على غطاء الأسطوانة العليا.
كانت مشكلة إحكام المكبس ناتجةً عن عدم وجود طريقة لإنتاج أسطوانة مستديرة بما يكفي. حاول واط تجربة الأسطوانات المصنوعة بتجويف حديد الصب (الفونط)، ولكنها كانت بعيدة جدًا عن الشكل الدائري، فاضطر إلى استخدام أسطوانات الحديد المطروق. الاقتباس الآتي من جوزيف رو (1916):
«حين رأى جون سميتون المحرك لأول مرة، أبلغ جمعية المهندسين بأن «المعدات والعمال الموجودين لا يستطيعون تصنيع آلة معقدة كهذه بالدقة الكافية»».
اعتبر واط أخيرًا أن التصميم أصبح جيدًا بما يكفي للإطلاق في عام 1774، وأطلق محرك واط إلى السوق. بسبب وجود أجزاء كبيرة من التصميم يمكن إضافتها بسهولة إلى محركات نيوكومن الموجودة، لم تكن هناك حاجة إلى بناء محركات جديدة بالكامل في المناجم. بدلًا من ذلك، رخص واط وشريكه في العمل ماثيو بولتون أمر إجراء التعديلات لمشغلي المحركات، متقاضيين منهم جزءًا من المال الذي سيوفرونه في انخفاض تكاليف الوقود. لاقى التصميم نجاحًا كبيرًا، وتشكلت شركة بولتون وواط لترخيص التصميم ومساعدة الصانعين الجدد في بناء المحركات. افتتح كلاهما لاحقًا مسبك سوهو لإنتاج محركاتهما الخاصة.
في عام 1774، اخترع جون ويلكنسون آلة تخويش يكون فيها للمحور الذي يحمل أداة التخويش دعامات من كلا الطرفين، مارًا عبر الأسطوانة، على عكس آلات التخويش العتلية المستخدمة آنذاك. استطاع بهذه الآلة تخويش الأسطوانة بما يناسب محرك بولتون وواط التجاري الأول في عام 1776.
لم يتوقف واط قط عن تطوير تصاميمه. زاد هذا من سرعة دورة العمل، واخترع المنظمات (الحاكمات)، والصمامات الأوتوماتيكية، والمكابس التي تعمل بالجهتين، وأنواعًا من أجهزة الإقلاع الدورانية، والعديد من التحسينات الأخرى. سمحت تكنولوجيا واط بانتشار الاستعمال التجاري لمحركات البخار الثابتة.
أنتج همفري غينسبورو نموذج محرك بخار تكثيفي في ستينيات القرن الثامن عشر، وعرضه لريتشارد لوفل إدجوورث، وهو عضو في الجمعية القمرية. آمن غينسبورو بأن واط استخدم أفكاره في اختراعه، ولكن جيمس واط لم يكن عندها عضوًا في الجمعية القمرية، ويظهر كذب هذا الادعاء في كتاباته العديدة التي تفصل العمليات الفكرية التي أسفرت عن التصميم النهائي.
كانت القدرة لا تزال محدودة بالضغط المنخفض، وإزاحة الأسطوانة، ومعدلات الاحتراق والتبخر، وسعة المكثف. كان المردود النظري الأعظمي محدودًا بالفرق الصغير نسبيًا لدرجات الحرارة بين طرفي المكبس؛ يعني ذلك أن المحركات الأولى المنتجة يجب أن تكون كبيرة جدًا حتى يوفر محرك واط كميةً مفيدةً من القدرة، ولذلك كانت باهظة الثمن في بنائها وتركيبها.