移居伯明翰这件事，在瓦特一生中是一个重大的转折点。此时他已39岁，然而，来日方长，前面仍然困难重重。“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。不过有马修·博尔顿的支持，又有索荷工厂那些第一流的设备和人员供他使用和支配，他最后的成功是肯定无疑的了。
博尔顿与瓦特的故事
到了18世纪70年代，工业革命已经达到了一个新阶段，它对更高效率的、更通用的新动力需求迅速增长，需求数量也极大。为了寻找矿产资源，矿工们正向深层挖掘，这便超出了纽科门式泵机的功能和效益，特别是在康沃尔，由于那里的煤炭需要以很高的费用从外地购进，水力资源赶不上工业发展的需要，而安装纽科门式发动机用来把水抽回工场，则是一个既笨拙又不经济的权宜之计。当务之急乃是制造出一种旋转式的蒸汽发动机，除非这项需要能够得到满足，否则，就很难使工业有进一步的发展。
也许当时在英国，没有任何人像马修·博尔顿那样清楚地认识到这一形势，连詹姆斯·瓦特也不例外。这就是为什么他为了达到谋取瓦特这项发明多数股份的目的，而甘愿耐心地等待那么长的时间。这也就是为什么他现在准备用资金来支持这项发明，而那位倒霉的罗巴克则在最初不肯给，后来又拿不出钱来支持他。在博尔顿的精打细算中，无疑还有另一个因素，那就是迅速改进实际的工程技术。即使罗巴克在1765年最初听到这一发明时，会解囊资助的话，这项计划仍然可能要由于技术的拙劣而遭到失败。与在金内尔秘密进行的小规模试验的情况不同，如此大规模试验的失败很可能会使瓦特在世人的眼中威信扫地，并使他从此一蹶不振。因此，在构想和实现之间所经过的漫长的阶段，尽管对瓦特和他的朋友来说都是感到沮丧的，但在当时却也许是幸运的。此时不仅对发动机的需求增加了，而且在技术方面也进步了，为取得成功提供了可靠的保障。时机适宜，博尔顿决不错过。由于他对瓦特这位任性的伙伴性格比他的前者有着更深刻的同情和理解。因此，他能够促使瓦特把他的注意力全部集中到蒸汽发动机上来而不分心。今后将再也不会有勘测旅行，也不会再搞其他的新发明了。的确，这位发明家在起初还不时为“蒸汽轮”操心，但最终甚至连他那个想入非非的陋习也完全改正了。
博尔顿只有一次感到紧张，那就是当瓦特收到他的朋友罗比森的一封来信的时候。罗比森当时在俄国，他要瓦特到他那里去，保证给他安排一个年薪1000英镑的职务。博尔顿忧伤地说道：“我开始为您当这位大使的吹鼓手而忏悔。”当伊拉兹马斯·达尔文听到这个消息后，他也写道：“天哪！当我听说您被一只俄国熊用大爪子抓住拖往俄国去的时候，我是何等的惊恐不安啊！如果另有办法的话，我乞求您不要走。但愿您那燃烧的发动机将会把您留下。”如此一桩美差对瓦特来说，肯定会有极大的诱惑力，但使博尔顿事实上感到极大宽慰的是，他决定留在英格兰，并同博尔顿结下了长达25年的不解之缘。
瓦特和博尔顿虽然共同商定了他们的君子协定，但是，任何正式的合伙契约似乎从来就没有履行过，鉴于他们之间，一个是精明超群，而另一个则是经商能力出众这一事实，那么，对于他们的相互信任来说，就得有令人信服的真凭实据。当瓦特于1776年夏天重访苏格兰打算续弦时，他曾由于没有这样一张契约而感到有些为难。他的后妻安·麦格雷戈是格拉斯哥一位染匠的女儿，也是瓦特的朋友吉尔伯特·汉密尔顿的小姨子。毫无疑问，汉密尔顿是他们俩相识的介绍人。詹姆斯·麦格雷戈想要先看一下瓦特的合伙契约，然后才同意把女儿嫁给他。多亏足智多谋的博尔顿小心地编造了一个措辞巧妙而无恶意的谎言，才算替他解了围。他寄去一份君子协议的抄本，并附上一张便笺，大意是说，他的律师已去伦敦，因此无法出示契约的原本。虽然这两件事都有真实记载，但却毫不相干。詹姆斯·麦格雷戈显然是感到满意的，因为瓦特如期将续娶的新娘带回到了伯明翰。第二年的整个冬天，他们都在纽霍尔沃尔克度过的，到了1777年的3月份，他们便搬到哈珀山的摄政街，住进了一座离索荷工厂步行只要15分钟的较大的寓所里。对于一个有着两个幼小孩子的鳏夫来说，这次再娶显然主要是图个方便，但瓦特却把它说成是“我最明智的行动之一”。看来，它经受住了时间的考验，而不失为一桩十分美满的姻缘。
博尔顿对瓦特的蒸汽机发明专利权的关心，远远超过了合伙协议。他预见到要发展和成批地制造这种商品发动机，按照当时的标准，需要投入数量极大的资本，而且还需要经过多年的时间，这项新的企业才能对这笔投资收回足够的利润。而行使这项专利权却只剩下8年的时间了，除非将其保护期延长，否则的话，他认为这项投机买卖太冒险了。博尔顿没有去谋求一项新的专利权，而是设法通过一项“关于个人利益的议案”以使现有的专利权的有效期能延长25年。这项专利权法是于1775年5月22日由英国王室批准的，尽管它当时曾遭到激烈的反对，这项专利权法还是把适用范围扩大到了苏格兰。在下议院，人们对这个专利垄断提出指控，在此后的若干年里，这个指控曾引起了很多竞争的工程师的强烈共鸣。毫无疑问，这项发明专利权在最后10年的有效期内，曾对技术的发展起了极大的阻碍作用。然而，这种丧失活力并引起人们反感的后果，与其说是由于延长专利权所造成的，毋宁说是因原来申请专利的说明书措辞所致。如前所述，说明书中许多原理牵涉面甚广，而且其中有些原理从未被采纳过。博尔顿延长这项专利权的动机是完全可以理解的，并且如果他的动机遭到否决，那么它对技术进步的阻碍，将会超过这项发明专利权所起的作用。有如博尔顿所认识到的这种特殊的保护伞，对于顺利地研制这样空前复杂的机器来说，是绝对有必要的。只有在它的保护之下发展起来的技术已经成为共有的财富之后，这种保护伞才会成为那些既屡遭挫折又心怀嫉妒的对手们的攻击目标。
与专利法案有关的伦敦访问及随后去格拉斯哥的结婚旅行，只是暂时中断了瓦特在索荷所从事的蒸汽机的研制工作。由于资金得到了保证，加之还有英国最优秀的能工巧匠听他吩咐，因此，瓦特不会再误入歧途了。那台在金内尔托运的发动机，比他本人先期到达伯明翰，将它拆箱之后，安装在由博尔顿选择的地点，即位于这座工厂的两幢边房之间，这样就能有效地用它来把水抽回到其中一个水轮的引水槽中去。
在1765年11月第一次进行的试验失败以后，卡伦公司似乎已放弃了为瓦特制造一个铁铸汽缸的努力。因为这台金内尔的发动机最初被重新安装在索荷的时候，它的汽缸是用锡锭制成的，底部则是铜的。还有一个外层汽缸，也就是蒸汽箱，可能是用木头制作的，而且它的管状表面冷凝器与瓦特曾经在金内尔为进行最后一系列试验所研制的没有什么两样。汽缸底的阀门，采用当时纽科门式发动机上普遍使用的那种摆动式扇形片状阀，驱动方法也一样，然而，这两种阀门却大不相同，那就是纽科门式阀门只能打开蒸汽进入汽缸的唯一的一条通路，就好像是照相机上的快门能打开一个孔隙那样简单。而瓦特的阀门则必须起到两种作用：首先，它必须起到一个平衡阀的作用，把蒸汽引进汽缸的下部，由于它使活塞两面的压力保持平衡，所以能够用下降泵杆的重力，把活塞拉到汽缸的顶端。然后，这个阀门必须把蒸汽入口关闭，打开排气阀，从而让蒸汽从汽缸进入冷凝器。为了取得这一效果，瓦特把这个阀门封装在一个蒸汽室内，并且把它设计成一个敞口盒的形状，而不是扇形平板形状。在蒸汽室里，这个阀门在两个入口上摆动，交替地把汽缸通向蒸汽室的入口打开，然后又使蒸汽经由这个敞口盒和冷凝器相连通。然而，瓦特出于后面将会提到的原因，很快便放弃了这种类型的阀门，不过其意义在于它在原理上为马修·默里的“D”形滑动阀预先做了准备，而这种滑动阀则成了以后一百多年蒸汽发动机的标准部件。
在这一点上应该说明的是，这台在金内尔的发动机像瓦特按照他所制造出来的第一批发动机一样，都有一个顶端开口的汽缸，这个汽缸被封闭在外层汽缸即蒸汽箱内，活塞杆穿过外层汽缸内的密封垫延伸出来。阀箱里的蒸汽是由蒸汽箱的底部供给的，顶部则没有任何蒸汽调节阀，这就是说，工作时汽缸的上半部同锅炉始终是相通的。
开始的时候，瓦特为解决活塞漏气这个问题，做出了持久而又艰辛的努力。他早先在金内尔的时候也是如此，为了解决这个难题，瓦特进行过种种尝试，采用了不同寻常的防漏办法，其中包括用马粪和牛屎做原料，制型纸也就是经反复辗轧制成的纸，还有帽子制造商用的那种毛毡布，以及他在过去已经试验过的各种特殊的旧纸板等。他还尝试过在活塞上面放重物，把衬垫压下去。所有这些办法都没有取得成功。直到那个用锡锭做的汽缸有某部分破裂的时候，这些试验才告以结束。后来在博尔顿的建议下，从他朋友约翰·威尔金森那里，为这台发动机购了一个新的铁铸汽缸。这个威尔金森是雷克瑟姆附近的伯沙姆有名的铁匠。这在瓦特完善他的发明所进行长期拼搏的故事中，是一个具有决定性意义的事件。
伊萨克·威尔金森和他的两个儿子约翰及威廉，是英国铁匠中最早的两大家族之一。另一个是在科尔布鲁克代尔的达比家族。约翰·威尔金森出生在坎伯兰。他的父亲在开始谋生时还是个小农场主，后来相继在巴克巴罗、洛伍德和在卡特默尔的林代尔炼铁厂合伙经营过，直到后来他有了伯沙姆式高炉，才另立门户，并于1753年迁居登比郡。在约翰·威尔金森的鼎盛时期，他在雷克萨姆附近的伯沙姆和布里姆博，在希罗普郡布罗斯里附近的新威里，以及在斯塔福德郡比尔斯顿附近的布拉德里都有高炉和铸造厂。对他而言，“铁人”这个词是具有双重含义的，因为他不仅对铁费尽心思，而且有着坚定不移的意志和决心，脾气就像从他的熔炉里流出来的炽热的铁水那样暴躁。他曾经负责建造过第一艘铁船。当这艘铁船在布罗斯里的塞文河下水的时候，使得所有那些满以为会看到这条船像一块石头那样沉入水底的人惊诧不已。根据他的观点，任何东西都可以用铁制作得更好。而他更令人毛骨悚然的乐趣之一，就是向他的客人们展示出他为自己的最终归宿所铸的一口铁棺材（事实上这口铁棺材做得太小，这本来会使他大发脾气的，但对于那些负责铸造这口铁棺材的人来说，幸运的是在把他放进这口棺材的时刻到来之前，是不会被发觉这口棺材做小了的）。
然而，威尔金森在工程方面却一点不古怪。1774年1月，他还获得了一项新的镗床的发明专利权。威尔金森原本是为了给大炮钻孔而研制这种机器的，但是他后来却制造了一种改进了的适于为一端敞口汽缸钻孔的新式镗床。这种为蒸汽机汽缸钻孔的镗床的意义是显而易见的。它有一根15英尺长的空心杆，镗杆两端都由轴承支撑着。刀头随着镗杆旋转，并可依靠穿过内孔中心的刀杆通过整个长孔。要镗削的汽缸坚固地架置在镗杆两轴之间的托架上。由于使用这种机器，才第一次有可能使汽缸内腔从头到尾都真正做得既圆又匀。而过去那些机器，例如斯米顿安装在卡伦的那种机器，只能满足第一个条件。因此，对瓦特来说毫无用途，威尔金森恰巧在这个时刻造出这种机器来，殊不知他的发明对于瓦特来说却是一桩不谋而合的美事。
新铸的铁汽缸于1775年4月运到索荷。一丝不苟的瓦特写道：“这个汽缸算不上十全十美，不过看起来却没有什么重大差错。”活塞问题虽没有直接得到解决，但看来是由于瓦特的固执，而不是因为新汽缸有什么缺陷。如果说瓦特作为一个发明家有什么过错的话，那就是他极不愿意接受现成的实际经验和别人的主张。这种执拗的态度无疑是来自骄傲。当这种态度使他决不甘心于美中不足而力争完美无缺时，那就是一种宝贵的品质，但当这种态度使他为猎奇去猎奇而不愿把一点荣誉让给别人时，那就会变成一种消极因素。正因为这样，纽科门式发动机活塞上所使用的那种麻垫系统，经过长期的实际应用而有所发展，并且证明令人感到满意是理所当然的。但是，纽科门式发动机上的麻垫经常渗水，瓦特便因此不愿采用，认为它不适合于他汽缸里的那种更热更干燥的工作条件。在这一点上，他曾下决心准备在畜粪混合物的熏人臭气中奋斗数月而依然执迷不悟。尽管如此，瓦特的发动机最后采用的活塞衬垫式样，同纽科门式发动机上所使用的还是没有什么不同，是用压紧了的麻绳和麻絮绕成一道道的圆圈，然后再涂上大量的油脂做成的。
在瓦特对表面冷凝器所进行的持久试验中，同样明显地表现出他固执的性格，最后，他放弃了这些试验，转而采用向排气管里喷注冷水这个比较简单的方法，这是纽科门式发动机原理的再次应用，虽然其方式不同。
尽管这些麻烦在某种程度上是瓦特自找的，但在发动机性能方面确实有所进步，以至后来瓦特在写给他在格里诺克的父亲的信里能够说道：“我发明的第一台发动机现正在运转，其结果表明它远远胜过迄今造出来的其他任何一种发动机。”博尔顿虽然过去曾公开说过他无异于改行当一名工程师，但在这台发动机的试验过程中，他却兴致有加，才思敏捷。当瓦特在伦敦从事与发明专利权法案有关的活动时，他负责继续进行这些试验，而且他写出来的进度报告表明，他的观察是非常敏锐的。例如当他建议在冷凝器上安装一个真空计量器时，他曾写道：“我认为应该把某种计量表附加在冷凝器上，人们可以通过计量表看到真空度，因为没有一个在外面可以看得见的标志，就不可能对里面的具体情况作出判断。”
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