Эти причины объясняют, почему так много современных двигателей имеют по четыре клапана на цилиндр (два впускных и два впускных). Как конструкция эта идея на нова, еще в 1912 году двигатель Peugeot Grand Prix имел четыре клапана на цилиндр, но она начала использоваться на легковых автомобилях только в 70-е годы и стала европейским и японским стандартом только в последние несколько лет. Не все соглашаются, что это лучшее решение. Например, многие из последних двигателей Mercedes имеют по три клапана на цилиндр, два впускных и один выпускной, с двумя свечами зажигания по одной с каждой стороны от выпускного клапана. Некоторые двигатели группы Volksvagen и некоторые японские двигатели применяют пять клапанов на цилиндр. Для этой геометрической компоновки может быть получен неплохой результат, при котором воздух попадает в цилиндр с еще большей скоростью, но на самом деле необходимость эффективно управлять всеми клапанами вызывает головную боль.


Клапаны открываются и закрываются с помощью кулачков, находящихся на распределительном валу — или на двух валах, одному для впускных клапанов, а другому для выпускных. Распределительный вал приводится в действие от коленчатого вала или цепью, или зубчатым ремнем, или непосредственно шестернями в случае двигателей высокой мощности для соревнований. Поскольку (во всяком случае, в теории) каждый клапан должен быть открыт только один раз каждые два оборота двигателя, распределительный вал вращается в два раза медленнее коленчатого вала. Кулачки могут действовать непосредственно на толкатели клапанов или могут управлять ими через коромысла или рычаги. Основная разница между ними заключается в том, что коромысла имеют ось качания в центре, кулачок нажимает на один конец, а на клапан воздействует другой конец коромысла. Рычаги шарнирно подвешены за дальний конец от клапана, а кулачок действует ближе к клапану.


Коромысла могут приводиться также штангами толкателей от распределительного вала, расположенного где-нибудь еще, обычно недалеко от коленчатого вала. При непосредственном воздействии на клапан толкатели представляют собой небольшие «стаканы», установленные на стержень клапана.


В большинстве двигателей первых автомобилей клапаны располагались рядом с поршнем и открывались снизу вверх, в стороне от камеры сгорания. Такая конструкция давала возможность сделать двигатель ниже, а головка цилиндров была плоской, маленькой и легко снималась для снятия нагара, что было типичной процедурой для водителей в 30-е годы, которые должны были проводить эту операцию через определенные интервалы из-за ужасного качества (по современным стандартам) топлива и масел, которые они использовали. Эти «нижние» клапаны просто приводились в действие короткими толкателями от одного распределительного вала, расположенного в блоке цилиндров, близко от коленчатого вала и приводимого в действие короткой и простой цепью. Нижнеклапанные двигатели были широко распространены до начала 50-х годов, устанавливаясь, например, на автомобили Morris Minor и Ford 100Е серий Anglia/Prefect. Но они были неэффективны вследствие больших насосных потерь при прохождении топливно-воздушной смеси и отработавших газов через каналы и камеру сгорания, и когда исчезла необходимость в регулярном удалении нагара, они уступили дорогу двигателям OHV (overhead valve) с верхним расположением клапанов непосредственно над поршнем.