В многоцилиндровых двигателях могут использоваться одна или несколько головок блока цилиндров (в зависимости от формы двигателя — рядной, v- или w-образной), а также индивидуальные головки на каждый цилиндр. Последние сегодня применяются на больших дизельных двигателях, особенно они удобны для систем воздушного охлаждения. Головки блока, закрывающие одновременно несколько цилиндров, удобны для систем жидкостного охлаждения. Кроме того, в них проще размещать распределительные валы и многие другие детали современных двигателей. Любой одноцилиндровый двигатель, естественно, имеет единственную головку цилиндра.
В результате выполнения большого количества задач головка блока цилиндров испытывает на себе комплексную термомеханическую нагрузку. Механическая составляющая складывается из сил действия газов в цилиндре, импульсов от закрытия клапанов, вибрации от вращения распределительных валов, а также усилий от затяжки резьбовых соединений, связывающих головку с блоком цилиндров и навесными агрегатами. Термическую нагрузку обеспечивают как высокие температуры в камерах сгорания, так и циркуляция масла и охлаждающей жидкости.
Основные размеры головки блока цилиндров определяются, исходя из диаметра цилиндра и количества цилиндров, а также формы блока цилиндров двигателя. Важным является также количество клапанов и распределительных валов.
Толщина головки блока цилиндров выбирается, исходя из количества размещаемых в ней деталей, а также требований к системам смазки и охлаждения, поскольку от этого зависят размеры каналов для циркуляции масла и охлаждающей жидкости. Кроме того, важно обеспечить постоянную температуру головки блока цилиндров в области камер сгорания, чтобы избежать возникновения детонации или калильного зажигания.
При проектировании головки блока цилиндров важно правильно расположить в ней распределительный вал (один или несколько), клапаны в требуемом количестве и под соответствующим углом, форсунки, свечи зажигания и множество других элементов конструкции, включая крепежные шпильки. Следует предусмотреть также размещение каналов для циркуляции охлаждающей жидкости и подачи смазочного масла, при этом необходимо обеспечить достаточное охлаждение области каналов газообмена и мест установки клапанов.
Если двигатель конструктивно оснащен системой воздушного охлаждения, то чаще всего на таких моторах используются индивидуальные головки цилиндров. При воздушном охлаждении необходимо еще более внимательно следить за равномерным распределением толщины стенок головки. Важен и правильный выбор материала головки, чтобы обеспечить хороший отвод тепла в атмосферу через внешнее оребрение головки. Ребра охлаждения головки необходимо обеспечить достаточным потоком охлаждающего воздуха, в особенности это важно для зоны размещения клапанов.
В качестве материала для изготовления головок блока цилиндров легковых автомобилей используются исключительно легкие сплавы. Чугун используется для больших двигателей и дизельных двигателей грузовых автомобилей.