Клапаны типичного верхнеклапанного двигателя 60-х годов приводились в действие толкателями и коромыслами.


В большинстве двигателей того времени впускные и выпускные трубопроводы располагались с одной стороны головки цилиндров, так что поступающий воздух мог подогреваться выходящими отработавшими газами. В таких двигателях все клапаны располагались в один ряд: или вертикально, или с наклоном на одну сторону, что гарантировало простоту и дешевизну изготовления головок. Однако некоторые двигатели имели разностороннее расположение впускных и выпускных трубопроводов и клапанов. Такое расположение обеспечивало ускоренное прохождение потоков газов и повышение мощности, поэтому в 60-е годы большинство комплектов для форсирования двигателей состояло в основном из таких головок, которыми заменяли обычные, односторонние. Но управление противоположно установленными клапанами с помощью штанг толкателей от одного распределительного вала никогда не было простой задачей, и многие производители автомобилей пошли вслед за такими пионерами, как Alfa Romeo, которые избавились от штанг толкателей и переместили распределительный вал в головку цилиндров, создав современный двигатель ОНС (overhead camshaft) с верхним распределительным валом.


У двигателя может быть один вал в головке цилиндров, который может приводить в действие один комплект клапанов (обычно впускных) непосредственно, а другой комплект, через коромысла, или может устанавливаться близко к центру головки и управлять всеми клапанами через рычаги или коромысла.


Как альтернатива могут использоваться два распределительных вала, по одному для каждого комплекта клапанов, такие двигатели получили название «двухвальные верхнеклапанные» DOHC (double overhead camshaft).


Есть аргументы в пользу всех этих конструкций, но на сегодняшний день наибольшее распространение получила схема с 4-мя клапанами на цилиндр и двумя распределительными валами. Частично это связано с тем, что один коленчатый вал с 16 кулачками (в 4-цилиндровом двигателе) довольно сложен и дорог в изготовлении, а частично потому, что два вала в головке оставляют удобное место в центре для размещения свечей зажигания. Это также связано с тем, что, если двигатель имеет систему изменения фаз газораспределения (о чем будет рассказано позже), управление каждым комплектом клапанов может быть отрегулировано независимо и относительно простым способом. С другой стороны, поскольку оба вала находятся на значительном расстоянии друг от друга, нет проблем с установкой для их привода шестерен, особенно если для привода используется зубчатый ремень. В некоторых двухвальных двигателях (от Toyota до Volkswagen) один из распределительных валов приводится непосредственно от коленчатого вала, а другой с помощью цепи или шестерен — от первого. Двигатель с двухвальной головкой получается более громоздким и сложным в установке на автомобиль.