In dieser Arbeit werden modellbasierte Methoden für den Entwurf und die Parametrierung der Steuerung und Regelung von Dieselmotoren vorgestellt. Diese steigern die Regelgüte und verbessern das Emissions- und Beschleunigungsverhalten während des dynamischen Motorbetriebs. Die Luftpfadregelung spielt für die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte eine zentrale Rolle, da diese die Menge und Zusammensetzung der Zylinderfüllung und damit die Verbrennung direkt beeinflusst. Bei deren Entwurf muss das stark nichtlineare und verkoppelte Prozessverhalten berücksichtigt werden. Hierzu wird der Luftpfad in dieser Arbeit durch lokal lineare Modelle mit verzögerter Parameteränderung und Offset-Zählerdynamik in Ausgangsfehleranordnung beschrieben, die mittels einer nichtlinearen Prozessidentifikation gewonnen werden. Nur in dieser erweiterten Struktur stimmen die Luftpfadparameter mit jenen des linearisierten Streckenverhaltens überein. Dadurch zeichnen sich die Modelle durch eine hohe Güte aus und sind für Reglerentwurfsverfahren geeignet, die auf den lokalen Modellparametern beruhen. Um den Einsatz zustandsraumbasierter Regelungsmethoden zu ermöglichen, werden diese Modelle in eine lokal lineare Zustandsraumdarstellung in Beobachternormal form transformiert. Als Alternative zu der Prozessidentifikation werden die lokal linearen Modelle durch die Linearisierung eines physikalischen Luftpfadmodells in verschiedenen Arbeitspunkten abgeleitet. Die Position der Arbeitspunkte wird dabei durch einen achsen-orthogonalen Teilungsalgorithmus optimiert. Unter Ausnutzung der lokal linearen Modellstruktur werden verschiedene Luftpfadregelungen entworfen. Hierzu zählen Kennfeld-PID-Regler mit und ohne Koppelglieder, die mittels des sequentiellen Schließens nach der Kompensationsmethode und mit einem speziellen Ordnungsreduktionsverfahren weitestgehend automatisiert parametrisiert werden. Alternativ wird eine lokal lineare Zustandsregelung nach dem Riccati-Entwurf vorgeschlagen. Als Vorsteuerung wird eine lokal lineare zustandsreglerbasierte Struktur vorgestellt, die beim Ansprechen von Stellbegrenzungen strukturelle Vorteile gegenüber einer klassischen Struktur besitzt. Die Vorsteuerung wird auf dem Prinzip einer teilweisen Führungsentkopplung entworfen. Zur Reduktion des Rechen-, Speicher-, und Applikationsaufwands wird anstelle der Regelung mit Vorsteuerung zusätzlich eine lokal lineare IMC-Regelung entwickelt. Für ein günstiges Regelverhalten trotz Stellbegrenzungen wird diese ebenfalls im Zustandsraum realisiert. Alle vorgestellten Verfahren werden an einem dynamischen Motorenprüfstand mit einem modernen Pkw-Dieselmotor erprobt und miteinander verglichen. Dabei zeigt sich, dass die entwickelten Verfahren die Regelgüte gegenüber herkömmlichen Strukturen steigern. Der beste Kompromiss zwischen Regelgüte und Ressourcenaufwand wird mit der IMC-Regelung sowie mit der zustandsraumbasierten Vorsteuerung in Verbindung mit dezentralen Kennfeld-PID-Reglern erzielt.