本发明公开了一种当量比燃烧天然气发动机三元催化系统及其设计方法，包括当量比燃烧天然气发动机三元催化系统和当量比燃烧天然气发动机三元催化系统设计方法，包括入口气体模块、反应器模块、出口气体模块、表面催化反应模块，所述的三元催化系统包括加热单元，所述的加热单元可加热反应器模块；喷水装置，所述的喷水装置设置在入口气体模块和反应器模块之间；检测单元，所述的检测单元用于检测出口气体模块排出的位置的氧浓度和排气温度；ECU控制单元，所述的ECU控制单元接受和处理检测单元的数据，本发明能根据排气中氧浓度灵活调整反应器温度和喷水量，计算预测与试验相结合的设计方法不仅能提高三元催化系统的设计精度。