Poussés par les réglementations « anti-pollution », les industriels automobiles sont incités à développer des véhicules plus propres et sobres en consommation. Ces dernières années, la dépollution des véhicules n'a cessée d'être améliorée, en optimisant le traitement des polluants des moteurs actuels, mais aussi en développant des solutions alternatives. C'est dans ce contexte que les deux études ont étés menées. Cette étude s'est d'abord intéressée à l'optimisation du fonctionnement du catalyseur trois voies. Ce système est le principal organe de dépollution des motorisations essence, il est capable de convertir les trois principaux polluants réglementés (oxydes d'azote, monoxyde de carbone et hydrocarbures imbrûlés) en gaz non nocifs pour la santé. On s'est intéressé à la modélisation orientée contrôle de ce réacteur chimique, le modèle développé à permis d'élaborer les outils nécessaires au contrôleur pour lui permettre de prendre en compte les dynamiques internes du catalyseur trois voies. L'étude s'est ensuite focalisée sur le contrôle multivariable robuste d'une chaîne d'air turbocompressée d'un moteur essence selon les approches des systèmes linéaires à commutation et à paramètres variant. Le contrôle robuste permet au système de chaîne d'air d'admettre au plus juste la quantité d'air admis dans la chambre de combustion en prenant en compte les éventuelles perturbations. / Forced by more and more severe normative, automotive industrials have to develop clean and energy-efficient vehicles. During the last decades, after-treatment system has been improved and alternative solutions have been found. The two presented studies have been lead in this context. The first study has been focused on the performance optimization of the three ways catalyst. This after-treatment system is able to convert the three main pollutants limited by the normative (nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbon) into harmless gases. The purpose of this study is to develop a mathematical reduced order model for the three ways catalyst focused on the oxygen storage-release dynamics. From this model, an observer for the oxygen storage rate estimation has been developed. Based on this tool, three ways catalyst converter controller will be able to take into account the internal dynamics. The second study deals with the multivariable robust control of a supercharged air path system for a spark ignition engine according to two approaches: the switched linear system and the linear parameter varying system. With robust control, the air path system will inject the right amount of air entering the combustion chamber by taking into account possible disruptions.