Höyrykoneen historia
Ilmakehän lauhdutusmoottorit > Wattin erillinen lauhdutin

Työskennellessään Glasgow'n yliopistossa instrumenttimiehenä ja korjaajana vuonna 1759 James Watt tutustui höyryn voimaan professori John Robisonin toimesta. Kiehtoutuneena Watt ryhtyi lukemaan kaiken mahdollisen aiheesta ja kehitti itsenäisesti latentin lämmön käsitteen, jonka Joseph Black oli vasta hiljattain julkaissut samassa yliopistossa. Kun Watt sai tietää, että yliopisto omisti pienen toimivan Newcomenin moottorin pienoismallin, hän vaati sen palauttamista Lontoosta, jossa sitä korjattiin tuloksetta. Watt korjasi koneen, mutta huomasi, että se oli tuskin toimiva, vaikka se oli täysin korjattu.
Työskenneltyään mallin parissa Watt päätteli, että 80 prosenttia moottorin käyttämästä höyrystä meni hukkaan. Sen sijaan, että se olisi tuottanut käyttövoimaa, se käytettiin sylinterin lämmittämiseen. Newcomenin mallissa jokainen tehoisku aloitettiin kylmän veden suihkulla, joka paitsi lauhdutti höyryn myös jäähdytti sylinterin seinämiä. Tämä lämpö oli korvattava, ennen kuin sylinteri pystyi jälleen ottamaan höyryä vastaan. Newcomenin moottorissa lämpöä toimitti vain höyry, joten kun höyryventtiili avattiin uudelleen, suurin osa höyrystä kondensoitui kylmille seinämille heti, kun se pääsi sylinteriin. Kesti huomattavan paljon aikaa ja höyryä, ennen kuin sylinteri lämpeni uudelleen ja höyry alkoi täyttää sitä.
Watt ratkaisi vesisuihkun ongelman siirtämällä kylmän veden toiseen sylinteriin, joka sijoitettiin tehosylinterin viereen. Kun induktiotahti oli valmis, näiden kahden välille avattiin venttiili, ja sylinteriin tullut höyry tiivistyi tämän kylmän sylinterin sisällä. Tämä loisi alipaineen, joka vetäisi lisää höyryä sylinteriin, ja niin edelleen, kunnes höyry oli suurimmaksi osaksi tiivistynyt. Tämän jälkeen venttiili suljettiin, ja pääsylinterin toiminta jatkui kuten tavanomaisessa Newcomenin moottorissa. Koska pääsylinteri pysyi koko ajan käyttölämpötilassa, järjestelmä oli valmis uuteen iskuun heti, kun mäntä vedettiin takaisin ylös. Lämpötila pidettiin yllä sylinterin ympärillä olevan vaipan avulla, johon höyryä johdettiin. Watt valmisti toimivan mallin vuonna 1765.
Koska Watt oli vakuuttunut siitä, että kyseessä oli suuri edistysaskel, hän solmi kumppanuuksia, jotka tarjosivat riskipääomaa, kun hän työskenteli suunnittelun parissa. Watt ei tyytynyt tähän yksittäiseen parannukseen, vaan hän työskenteli väsymättä useiden muiden parannusten parissa, jotka koskivat käytännössä moottorin jokaista osaa. Watt paransi järjestelmää entisestään lisäämällä pienen tyhjiöpumpun, jolla höyry vedettiin sylinteristä lauhduttimeen, mikä paransi kierrosaikoja entisestään. Radikaalimpi muutos Newcomenin malliin oli sylinterin yläosan sulkeminen ja matalapaineisen höyryn käyttöönotto männän yläpuolella. Nyt teho ei johtunut ilmakehän paineen ja tyhjiön erosta vaan höyryn ja tyhjiön paineesta, joka oli hieman suurempi arvo. Ylöspäin suuntautuvassa paluutahdissa yläpuolella oleva höyry siirrettiin putkea pitkin männän alapuolelle, jossa se oli valmiina tiivistymään alaspäin suuntautuvaa tahtia varten. Newcomenin moottorin männän tiivistys oli saavutettu pitämällä pieni määrä vettä männän yläpuolella. Tämä ei ollut enää mahdollista Wattin moottorissa höyryn läsnäolon vuoksi. Watt käytti huomattavia ponnisteluja löytääkseen toimivan tiivisteen, joka lopulta saatiin aikaan käyttämällä talin ja öljyn seosta. Männänvarsi kulki myös sylinterin yläkannessa olevan tiivisteen läpi, joka oli tiivistetty samalla tavalla.
Männän tiivistysongelma johtui siitä, ettei ollut mahdollista valmistaa riittävän pyöreää sylinteriä. Watt yritti porata sylinterit valuraudasta, mutta ne olivat liian epäkeskoja. Watt joutui käyttämään vasaroitua rautasylinteriä. Seuraava lainaus on peräisin Roelta (1916):
"Kun (John) Smeaton näki moottorin ensimmäisen kerran, hän raportoi Insinöörien yhdistykselle, että 'ei ole olemassa työkaluja eikä työmiehiä, jotka voisivat valmistaa näin monimutkaisen koneen riittävän tarkasti' " "
Watt katsoi lopulta, että malli oli riittävän hyvä julkaistavaksi vuonna 1774, ja Wattin moottori saatiin markkinoille. Koska osia suunnitelmasta voitiin helposti sovittaa olemassa oleviin Newcomenin moottoreihin, kaivoksilla ei tarvinnut rakentaa kokonaan uutta moottoria. Sen sijaan Watt ja hänen liikekumppaninsa Matthew Boulton lisensoivat parannukset veturinkuljettajille ja veloittivat heiltä osan polttoainekustannusten alenemisen ansiosta säästyneistä rahoista. Suunnittelu menestyi erinomaisesti, ja Boulton and Watt -yhtiö perustettiin lisensoimaan suunnittelua ja auttamaan uusia valmistajia moottoreiden rakentamisessa. Myöhemmin molemmat avasivat Sohon valimon valmistamaan omia moottoreita.
Vuonna 1774 John Wilkinson keksi porakoneen, jossa poratyökalua pitelevä akseli oli tuettu molemmista päistä ja ulottui sylinterin läpi, toisin kuin tuolloin käytetyissä kannakkeellisissa porakoneissa. Tällä koneella hän pystyi onnistuneesti poraamaan sylinterin Boultonin ja Wattin ensimmäiseen kaupalliseen moottoriin vuonna 1776.
Watt ei koskaan lakannut parantamasta mallejaan. Se paransi edelleen käyttökierron nopeutta, otti käyttöön säätimet, automaattiventtiilit, kaksitoimiset männät, erilaiset pyörivät voimanotot ja monia muita parannuksia. Wattin tekniikka mahdollisti paikallaan olevien höyrykoneiden laajan kaupallisen käytön.
Humphrey Gainsborough valmisti 1760-luvulla lauhdutinhöyrykoneen mallin, jota hän näytti Lunar Societyn jäsenelle Richard Lovell Edgeworthille. Gainsborough uskoi, että Watt oli käyttänyt hänen ideoitaan keksinnössä; James Watt ei kuitenkaan ollut Lunar Societyn jäsen tuolloin, ja hänen lukuisat kertomuksensa, joissa hän selittää lopulliseen suunnitteluun johtaneita ajatusprosesseja, ovat omiaan kumoamaan tämän tarinan.
Tehoa rajoittivat edelleen alhainen paine, sylinterin tilavuus, palamis- ja haihtumisnopeus sekä lauhduttimen kapasiteetti. Teoreettista enimmäishyötysuhdetta rajoitti suhteellisen pieni lämpötilaero männän molemmin puolin; tämä merkitsi sitä, että jotta Wattin moottori tuottaisi käyttökelpoisen määrän tehoa, ensimmäisten tuotantomoottoreiden oli oltava hyvin suuria ja siten kalliita rakentaa ja asentaa.