在环境污染严重和节能减排的大环境下，发展车用替代燃料已成为汽车领域发展的新热点。压缩天然气（CNG）具有良好的经济性、安全性以及燃烧排放性能，加之目前逐步完善的加气站设施建设，天然气将会在较大一段时间内作为发动机的主要代用燃料。由于天然气发动机在机械结构和空燃比控制策略等方面与汽油机或柴油机有较大差异，针对天然气发动机进行研究是非常有必要的。瞬态工况在发动机整个运行工况中占有很大比例，由于发动机工况变化快，很难对瞬态空燃比进行精确的控制，因此它是空燃比控制的核心与难点。在分析天然气发动机特性基础上，旨在通过对进气流量的精确控制与计算以及燃料喷射量的闭环修正基础上，对瞬态空燃比进行补偿修正，以此达到对瞬态空燃比的精确控制。在此过程中，在传统PID控制器的基础上，优化设计电子节气门的非线性PID控制器，对节气门开度进行更为精确的控制，达到对进气流量的精确控制；对比分析质量流量法与速度-密度法，分析燃料喷射持续时间的影响因素，在分析开环控制与瞬态空燃比误差原因的基础上，根据误差模型提出瞬态空燃比补偿控制策略；结合发动机平均值模型，电子节气门控制器模型，利用MATLAB/simulink建立带失效安全策略的天然气发动机空燃比控制系统模型，传感器信号故障时能够选择相应的策略正确进行控制，闭环控制空燃比达到0.01%的控制精度，瞬态空燃比控制达到3%的控制精度。重点对电子节气门、空燃比控制策略和失效安全策略进行研究。采用精确度更高的非线性PID控制器，并搭建电子节气门控制系统硬件平台，进行标定实验与响应实验；稳态工况采用“前馈+闭环”的控制策略，瞬态工况采用自适应补偿控制策略；对节气门传感器故障、转速信号故障、进气气管压力传感器故障以及氧传感器故障设计了相应的安全控制策略。最后提出了本文研究内容的不完善与不周之处，并做出了结论和展望。