1764 년, 학교는 와트에게 뉴게이트 증기기관을 수리하라고 했다. 수리 과정에서 와트는 증기 기관의 구조와 원리에 익숙해져 있으며, 이 증기 기관의 두 가지 주요 단점인 피스톤 동작이 불연속적이고 느리다는 것을 발견했다. 증기 이용률이 낮아 원자재를 낭비하다. 나중에 와트는 개선 방법에 대해 생각하기 시작했다. 1765 년 봄까지, 한 번의 산책에서 와트는 뉴코문 증기 기관의 열효율이 낮은 것은 실린더 안의 증기 응결로 인한 것이라고 생각했는데, 왜 증기가 실린더 밖에서 응결되지 못하게 합니까? 와트는 독립 냉응기를 사용하는 최초의 생각을 생각해냈다.
이 아이디어가 나온 후 와트는 같은 해에 독립 냉응기가 있는 증기기관을 설계했다. 설계에 따라 냉응기와 실린더 사이에 조절 밸브가 있어 연결하고 분리할 수 있습니다. 이렇게 한 후의 증기는 항아리 밖의 냉응기를 도입하여 항아리 안에 같은 진공을 만들어 냉각 및 난방 과정에서 항아리의 열 소비를 피할 수 있다. 와트의 이론에 따르면 이런 신형 증기기관의 열효율은 뉴코멘 증기기관의 3 배가 될 것이다. 이론적으로 와트의 분리기 냉응기가 있는 증기기관은 뉴코문의 증기기관보다 현저히 뛰어나다. 하지만 이론적인 것을 실제적인 것으로 바꾸고, 도면의 증기기관을 진짜 증기기관으로 바꾸는 데는 아직 갈 길이 멀다. 와트신은 여러 대의 증기기관을 힘들게 만들었는데, 그 효과는 뉴코문의 증기기관만큼 좋지 않았고, 심지어는 도처에서 바람이 새어 시동이 걸리지 않았다. 비싼 실험이 그로 하여금 빚더미에 쌓이게 했지만, 그는 어려움 앞에서 물러서지 않고 실험을 계속했다. 블레이크가 와트의 목표와 어려운 처지를 알게 되자, 그는 와트를 매우 부유한 친구인 화학기술자 로바크에게 소개했다. 그 당시 로박은 매우 부유한 기업가였다. 그는 스코틀랜드의 카론에 최초의 대형 제철소를 열었다. 비록 그때 로바크는 이미 50 대 가까이 되었지만, 그는 여전히 과학 기술의 새로운 발명에 대한 열정이 충만했다. 그는 당시 30 대였던 와트의 새 장치에 대해 극찬을 했고, 즉시 와트와 계약을 맺고 와트의 새로운 증기기관을 시험 제작하도록 협찬했다.
1766 부터 3 년여 동안 와트는 재료와 공예상의 어려움을 극복하고 마침내 1769 에서 첫 번째 원형을 만들었다. 같은 해 와트는 냉응기 발명으로 뉴코멘 증기기관을 혁신하는 과정에서 첫 번째 특허를 받았다. 냉응기가 장착된 최초의 증기기관 시험 제작에 성공했지만 뉴코멘 증기기관에 비해 열효율이 크게 향상된 것 외에 동력기계로 다른 작업기계를 구동하는 성능에는 실질적인 발전이 없었다. 즉, 와트의 증기기관은 여전히 진정한 동력기가 될 수 없다.
와트의 증기기관이 아직 이상적이지 않아 시장이 넓지 않다. 와트가 계속 탐험을 계속하는 동안, 로바크 자신도 파산 위기에 처해 있었고, 그는 와트를 친구, 엔지니어, 기업가 볼턴 (English Foundation) 에게 소개하여 와트가 후원을 받아 그의 연구개발을 계속할 수 있게 했다. 볼턴 40 대 때 유능한 엔지니어이자 기업가였다. 그는 와트의 혁신 정신에 찬사를 표하고 와트를 후원할 의향이 있다. 볼턴 (WHO) 는 당시 버밍엄 유명 과학동아리' 만월사' 의 주요 회원 중 한 명이었다. 이 동아리의 참가자 대부분은 현지의 과학자, 엔지니어, 학자, 과학 애호가들이다. 볼턴 소개로 와트도 보름달사에 가입했다. 보름달사 행사에서 와트는 당시 사람들이 관심을 가졌던 가스화학과 열화학에 대해 더 많이 알게 되면서 나중에 물의 화학성분에 참여하게 된 논란을 위한 토대를 마련했다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 계절명언) 더 중요한 것은, 보름달사의 활동으로 와트는 과학 지식을 더욱 키우고 그의 과학 사상을 활발하게 했다.
와트는 볼튼과 합작한 이후 자금, 설비, 재료 등에 대한 대대적인 지지를 받았다. 와트는 또한 독립 냉응기가 있는 증기 기관 두 대를 생산했지만, 이 두 증기기관은 눈에 띄는 개선이 없어 사회의 중시를 받지 못했다. 이 두 증기기관은 비용이 너무 많이 들어 볼턴 파산 위기에 처해 있지만, 그는 여전히 아낌없이 와트를 지원한다. 그의 지지로 와트는 꾸준히 그의 연구를 계속했다. 1769 년 분리식 냉응기가 있는 증기기관 시제품을 시험 제작한 이후 와트는 열효율이 낮은 것이 그의 증기기관의 주요 결점이 아니라는 것을 알게 되었고, 근본적인 한계는 피스톤이 왕복 직선 운동만 할 수 있다는 것이다. 178 1 년, 와트는 여전히 보름달사 행사에 참가하고 있다. 아마도 모임에서 회원들은 당시 천문학자 허셜이 발견한 천왕성과 행성이 태양 주위의 원주 운동에 대해 언급하여 그에게 영감을 주었을지도 모른다. 아마도 시계의 톱니바퀴의 원주 운동이 그에게 영감을 준 것 같다. 그는 피스톤의 왕복 직선 운동을 원형 회전 운동으로 전환함으로써 동력을 어떤 작업 기계에도 전달할 수 있다고 생각했다. 같은 해, 그는' 태양과 행성' 이라는 기어 연계 장치를 개발하여 결국 피스톤의 왕복 직선 운동을 기어의 회전 운동으로 바꾸었다. 차축 회전 축의 관성을 증가시켜 원주 운동을 더욱 고르게 하기 위해 와트는 차축에 화륜을 설치했다. 전통적인 메커니즘에 대한 이 위대한 혁신으로 와트의 증기기관은 진정으로 모든 것을 구동할 수 있는 동력기가 되었다. 178 1 연말에 와트는 기어 레버 기계 연동 장치 발명에 대한 두 번째 특허를 획득했습니다.
이 증기기관은 차축과 플라이휠이 장착되어 있기 때문에 피스톤의 왕복 직선 운동을 차축의 회전 운동으로 바꿀 때 많은 에너지를 소모한다. 이렇게 증기기관의 효율은 그리 높지 않고, 전력도 그리 크지 않다. 증기 기관의 효율을 더욱 높이고 증기 기관의 효율을 높이기 위해 와트는 기어 연동 장치를 발명한 후 실린더 자체를 연구했다. 그는 뉴코멘 증기기관의 내응을 외응결로 바꿔 증기기관의 열효율을 현저히 높였지만, 그의 증기기관 중 증기구동 피스톤의 행정 과정은 뉴코문 증기기관과 다르지 않다는 것을 발견했다. 두 증기 모두 한쪽 끝에서 들어오고 다른 쪽 끝에서 나오는 단일 운동이다. 그는 만약 증기가 양끝에서 드나들 수 있다면 피스톤을 위아래로 움직일 수 있을 것이라고 생각했다. 그럼, 그의 효율성은 두 배로 늘릴 수 있다. 1782 에서 와트는 이러한 아이디어에 따라 양방향 장치가 있는 새로운 원통을 개발했습니다. 이로 인해 와트는 그의 세 번째 특허를 얻었다. 원래의 단일 실린더 장치를 양방향 실린더로 개조하여 실린더에 도입된 증기가 처음으로 저압 증기에서 고압 증기로 바뀌었다. 이것은 와트가 뉴코멘 증기기관을 개선하는 과정에서 세 번째 도약이다. 이 세 번의 기술 도약을 통해 뉴코멘 증기기관은 완전히 와트증기기관으로 발전했다.
처음 증기 기술을 접촉한 때부터 와트 증기기관의 연구 성공에 이르기까지 와트는 20 여 년의 어려운 여정을 거쳤다. 와트는 여러 차례 좌절을 당해 실패했지만, 끈기 있고 끈기 있게 노력하여 결국 뉴코멘 증기기관의 3 대 혁신을 완성하였다. 증기기관은 이미 광범위하게 응용되어 세계를 개조하는 동력이 되었다.
1784 년 와트는 플라이휠, 기어 링크 및 양방향 장치로 고압 증기기관을 종합적으로 조립하여 뉴코멘 증기기관을 개조하는 과정에서 네 번째 특허를 획득했다. 1788 년에 와트는 원심 조절기와 스로틀 밸브를 발명했습니다. 1790 년에 그는 실린더 표시기를 발명했고 와트는 증기 기관 발명의 전 과정을 완성했다.