Face au souci constant de la consommation de carburant et au renforcement croissant des normes EURO limitant l'émission de gaz polluants des automobiles, l'optimisation et la maîtrise des phénomènes de combustion sont placées, depuis quelques années, au cœur de la problématique motoriste. Dans ce contexte, je me suis penché sur le problème de la poursuite de trajectoires de référence en vue de réguler certaines grandeurs physiques du système d'air du moteur Diesel. La première partie de ce mémoire présente les travaux réalisés sur la modélisation du moteur Diesel. Un modèle à valeurs instantanées de type boite grise a été élaboré pour estimer la pression cylindre à partir du régime moteur. Différents modèles à valeurs moyennes issus de la littérature ont également été étudiés et validés expérimentalement dans le cadre de projets de recherche franco-britanniques. Dans la seconde partie, nous proposons différentes lois de commande ayant pour objectif de réguler simultanément le taux de gaz recyclés (EGR) et le rapport air / carburant (AFR) pour un régime moteur et une quantité de carburant injectée donnés. Le taux d'EGR et l'AFR n'étant pas directement mesurables, la sélection des variables à réguler nous a conduit à concevoir des méthodes pour la synthèse de contrôleurs destinés aux systèmes MIMO non linéaires à non minimum de phase.