Les centaines de millions de véhicules du parc automobile mondial nous rappellent à quel point notre société dépend du moteur à combustion interne. Malgré des progrès significatifs en termes d’émissions polluantes et de consommation, les moteurs à essence et diesel demeurent l’une des principales sources de pollution de l’air des centres urbains modernes. Ce constat motive les autorités à renforcer les normes anti-pollution, qui tendent à complexifier la définition technique des moteurs. En particulier, un nombre croissant d’actionneurs fait aujourd’hui, du contrôle de la chaîne d’air, un challenge majeur. Dans un marché de plus en plus mondialisé et où le temps de développement de moteurs se doit d’être de plus en plus court, ces travaux entendent proposer une solution aux problèmes liés à cette augmentation de la complexité. La proposition repose sur une approche en trois étapes et combine : modélisation physique du moteur, contrôle prédictif non linéaire et programmation multiparamétrique. Le cas du contrôle de la chaîne d’air d’un moteur à essence suralimenté sert de fil conducteur au document. Dans son ensemble, les développements présentés ici fournissent une approche quasi-systématique pour la synthèse du contrôle de la chaîne des moteurs à essence suralimentés. Intuitivement, le raisonnement doit pouvoir être étendu à d’autres boucles de contrôle et au cas des moteurs diesel. / The hundreds of millions of passenger cars and other vehicles on our roads emphasize our society’s reliance on internal combustion engines. Despite striking progress in terms of pollutant emissions and fuel consumption, gasoline and diesel engines remain one of the most important sources of air pollution in modern urban areas. This leads the authorities to lay down increasingly drastic pollutant emission standards, which entail ever more complex engine technical definitions. In particular, due to an increasing number of actuators in the past few years, the air path of internal combustion engines represents one of the biggest challenges of engine control design. The present thesis addresses this issue of increasing engine complexity with respect to the continuous reduction in development time, dictated by a more and more competitive globalized market. The proposal consists in a three-step approach that combines physics-based engine modeling, nonlinear model predictive control and multi-parametric nonlinear programming. The latter leads to an explicit piecewise affine feedback control law, compatible with a real-time implementation. The proposed approach is applied to the particular case of the control of the air path of a turbocharged gasoline engine. Overall, the developments presented in this thesis provide a quasi-systematic approach for the synthesis of the control of the air path of turbocharged gasoline engines. Intuitively, this approach can be extended to other control loops in both gasoline and diesel engines.