1. 서 론
국토교통부 보도자료에 따르면 연도별, 차종별 자동차 누적 등록 현황은 2022년 6월말 기준 전체 25,215,692대 중, 디젤 차량은 9,820,049대로 38.9%를 차지하고 있다(1). 자동차의 내연 기관은 높은 온도와 압력에서 휘발유 혹은 경유 등을 연소시키면서 질소산화물(NOx)이나 황산화물(SOx)과 함께 유기 탄소(organic carbon, OC) 또는 원소탄소(elemental carbon, EC) 등이 발생한다. 이렇게 발생한 질소산화물이나 황산화물 중 일부는 수증기, 오존과 같은 물질과 화학반응을 하여 초미세 먼지(particulate matter, PM)가 형성된다.
디젤 엔진은 압축점화기관으로 연소 과정에서 가솔린기관보다 많은 질소산화물이 발생하여 유해한 배기가스가 배출되기 때문에 디젤 엔진에 대한 규제가 강화되고 있다. 도로이동오염원의 배출량도 대부분 경유차인 레저용 차량과 화물차가 높게 차지한다. 이와 관련하여 배기가스 규제에 따라 배기관 중간에는 촉매변환장치, 매연저감장치(diesel particulate filter, DPF) 등 배기가스 저감장치가 설치되어 있다. 이들 배기가스 저감장치가 과열되거나 DPF 재생 과정에서 배출되는 고온의 배기가스가 가연물의 접촉 및 열전달 되어 화재가 발생할 수 있다. 초미세 먼지 발생을 억제하기 위해 설치된 DPF에서 화재가 발생하고 있음에도(2-6) 화재통계, 사례 분석, 화재 발생 원인, 예방대책 및 화재 원인 조사 기법 등에 관한 연구논문은 아주 제한적이다.
기존 논문에는 DPF의 진단, 특성 및 열 해석 시뮬레이션과 관련된 논문이 보고되고 있으나, 화재 사례와 직접적으로 관련된 논문은 부족하다. 또한 화재조사 분야에서도 DPF의 과열, 클리닝과 관련된 사례 등만 발표되어 있다. 다른 원인으로도 발화가 될 수 있다는 사례의 다양성이 발표될 경우, 학문적으로도 화재 조사 분야에서 원인 도출에 신뢰성이 높아질 것으로 기대된다.
따라서 본 논문에서는 DPF 재생 과정에서 발생된 것으로 추정되는 화재 사례의 원인을 분석하였다. 화재가 발생된 차량과 유사한 사양으로 실험을 진행하였다. DPF의 온도를 측정하고, 배기 열기에 의한 종이 상자의 탄화 여부를 검증하였다. 고찰 부분에서는 실험을 통해 도출된 결과와 기존에 보고된 논문을 인용하여 사례에 관한 발화 과정을 제시하였다. 화재 조사 분야에서 DPF와 관련된 다양한 화재 원인 중, 또 하나의 가능성을 입증할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 실제 화재 사례를 근거로 발화 원인을 제시하였기 때문에 기존의 발표된 논문들과는 차별성이 있을 것으로 사료된다.
2. DPF의 구조 및 원리
DPF는 매연 가운데 미세먼지 배출을 감소시키는 미세 필터로써, 디젤 엔진의 배기가스 중에서 검은 연기(soot)를 밖으로 나오지 못하게 막아주는 장치이다. 이 장치는 매연의 soot를 포집하는 것과 soot를 태워서 없애는 배기가스 후처리가 있다. 차량의 제조사마다 형상은 다르지만 원리는 유사하다. 일반적으로 DPF는 Figure 1과 같이 벌집 모양의 격벽 구조로 wall flow 형태의 세라믹 필터가 사용되고 있으며(7), 이 필터로 검댕과 같은 soot를 포집한다. 필터에 포집된 soot들이 일정 수준에 이르거나, 재생 조건이 되었을 때 soot를 태워 필터를 재생시킨다. 재생이 이루어지는 동작 조건은 DPF 입⋅출구의 압력 차이, 주행 거리 및 냉각수 온도 등 다양한 상태를 분석하여 엔진 제어유닛(engine control unit, ECU)에 입력된 제어 로직(logic)을 따른다(2). DPF의 재생에는 두 가지 주요 방법이 있다. 자연 재생(passive regeneration)과 강제 재생(active regeneration)이다. 자연 재생은 운전 조건이 설정된 조건에 부합될 경우, 작동하여 파티클 등을 소각시킨다. 강제 재생은 자연 재생에 부적합한 경우, ECU는 강제 재생을 수행한다.
본 논문에서는 자연 재생과 강제 재생의 두 가지 방식을 모두 적용하여 이때 발생되는 배기가스의 온도를 측정하였으며, 종이 상자의 탄화 가능 여부를 실험으로 분석하였다.
3. 화재 사례 분석
3.1 CCTV 영상
화물차(K사 내장 탑차, 2017년식, 주행 거리 약 15만 km, 이하 ‘차량’)는 약 103 km를 주행한 후, 지하 주차장의 하역장에 최종 주차하였다. 이후 Figure 2의 CCTV 캡처 사진과 같이 하역작업 과정에서 주차 후 약 6 min 뒤, 배기구 주변에서 화재가 발생하였다. 차량 후면에는 종이 상자가 적재되어 있는 상황으로, 주차 과정에서 하역장 바닥에 적재된 종이 상자가 배기구와 접촉되어 움직이는 모습이 관찰되었다. 또한 발화 초기에 연기 및 화염이 분출되면서 연소가 상대적으로 급격하게 진행되는 형상이 나타난다.
3.2 화재 현장 및 차량 검사
최초 화재 현장 조사 시, Figures 3(a), 3(b)와 같이 하역장의 벽면이 박리되고, 주차된 차량은 소훼되어 형태가 일부 변형되었다. 차량의 후면은 Figure 3(c)와 같이 배기구 주변으로 연소 잔해가 쌓여 있었으며, 배기구의 끝단이 연소 잔해에 묻혀 있는 상황이었다. 또한 Figure 4와 같이 배기구 끝단 주변이 차량 하부에서 가장 심하게 수열⋅변색되고, 소훼되어 차량의 바닥이 일부 천공되었다.
배기구 끝단 주변의 연소 형상과 CCTV 내용을 고려하여 동 부분을 발화 지점으로 특정하였다. 차량의 하부에는 전선 등을 제외하고는 발화 원인과 관련지을 만한 별도의 장치는 발견되지 않았다. 남아 있는 전선 등의 전기장치를 검사한 결과, 화염에 의해 용융된 흔적들만 발견되고, 단락흔 등의 전기적 특이점은 식별되지 않았다.
배기관 자체에서 배기가스의 누출과 관련한 변형이나 천공 등의 특이점도 보이지 않았다. Figure 5와 같이 DPF에서도 균열이나, 용융된 흔적 등은 발견되지 않았다. 엔진 분해 시, 흡⋅배기 매니폴드와 배기가스재순환장치(exhaust gas recirculation, EGR) 쿨러 등에서 그을음의 심한 흡착 등은 확인되지 않았으며, 실린더 블록에서도 파손⋅변형 등의 특이점이 식별되지 않았다. 또한 배기구 끝단의 그을음, 오일팬 내부의 연소 잔해 및 연료탱크 등의 그을음에 대한 성분을 분석한 결과, 발화 원인과 관련지을 만한 특이 성분은 검출되지 않았다.
따라서 발화 원인과 관련하여 DPF의 배기가스를 염두에 두고 화재 재현 실험을 진행하였다.
4. 화재 재현 실험 및 고찰
4.1 화재 재현 실험
화재가 발생한 차량과 유사한 사양을 가지는 차량(K사 내장 탑차, 2017년식, 주행 거리 약 20만 km)으로 실험을 진행하였다. 스캐너(G-scanM)를 설치하여 DPF의 온도를 측정하였다. 또한 DPF를 강제 재생시키기 위하여 스캐너를 사용하였다. 주행 거리는 화재 차량과 동일하게 약 103 km를 주행하였고 실험 시, 차량의 운행 평균 속도는 약 90∼100 km/h였다. Figure 6과 같이 열화상 카메라와 데이터로거를 사용하여 DPF의 자연 재생(103 km 주행 후)과 강제 재생(스캐너 사용) 상태에서 각각의 온도를 측정하였으며, 실험 결과는 Table 1과 같다. 자연 재생되었을 때는 DPF 내부에서 온도가 약 671 ℃로 측정되었다. 이때 배기구 끝단 주변은 Figure 7의 그래프와 같이 311 ℃로 약 4 min 정도 온도가 유지되었다. 또한 주행을 하지 않고, 주차된 상태에서 스캐너를 통해 DPF를 강제로 재생시켰을 때, DPF의 온도는 약 650 ℃였다. 배기구는 약 3 min 후부터 온도가 증가하여 6 min 25 s 경에 Figure 8과 같이 366 ℃로 최대 온도가 측정되었다. 이때 배기가스의 열기에 의해 종이 상자 내부가 Figure 9와 같이 탄화되었다.
4.2 고찰
본 논문에서는 차량의 화재 사례와 관련하여 CCTV 영상 및 배기구 주변이 상대적으로 심하게 수열, 변색된 연소 형상 등을 감안하여 배기구의 끝단 주변을 발화 지점으로 한정하였다.
발화 원인은 남아 있는 전선 등에서 전기적 특이점이 발견되지 않는 점, CCTV 영상에서 연기와 화염이 분출되는 형상으로 연소가 급격하게 진행되는 점 등을 고려하여 전기적 문제에 의한 발화 가능성은 배제 가능할 것으로 판단하였다. 또한 화재 현장에서도 차량의 배기구 주변에 남아 있는 연소 잔해에서 발화 원인과 관련지을 만한 특이 잔해 등이 식별되지 않아, 이번 화재의 발화 원인은 배기계통의 DPF와 관련된 것으로 추정하였다.
실험 결과 배기구 끝단의 온도가 고체 가연물(종이 상자 등)의 발화점(약 400 ℃∼490 ℃)에는 도달하지 못하였다. 이는 DPF와 관련된 다른 논문들을 보면 DPF 내부의 soot loading 등과 관련된 것으로 해석할 수 있을 것이다. DPF는 내부에서 soot 등을 연소시키는데, soot가 많을수록 가연물 조건이 좋아지게 되고 태울 수 있는 물질이 많아지기 때문에 배기 온도가 실험의 측정된 결과보다 더 높아질 수 있을 것이다(8). 본 실험에서는 자연 재생과 강제 재생을 연속적으로 진행하게 되어 soot가 이미 연소된 상태이기 때문에 배기구 끝단의 온도가 발화점 이상으로 도달하지 못한 것으로 볼 수 있다.
또한 일반적인 차량의 운행 과정에서 DPF에 축적된 soot가 연소되어 재생되는 경우, DPF 주변에 가연물이 접촉되어 화재가 발생한 사례가 화재 조사 분야에서 보고된 바가 있다(9). DPF 내부에 soot loading이 발생된다면, 배기구의 온도가 종이 상자를 연소시킬 수 있는 600 ℃까지 증가할 수 있을 것이다.
실험을 통해 배기구 끝단에 설치한 종이 상자가 탄화된 점과 기보고된 논문을 고려해보면, 고온의 배기가스에 의해 가연물 내에서 축열과 발열 과정(열축적 조건의 만족)이 형성된다면 발화될 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 논문에서는 차량이 주차하는 과정에서 배기구가 인접한 가연물과 접촉되어 발생한 화재 사례의 원인에 대하여 실험적으로 분석하였다. 스캐너를 사용하여 DPF의 온도를 측정하고, 데이터로거를 이용하여 배기구 끝단의 온도를 분석하였다. 103 km를 주행한 후에 발생한 자연 재생과 스캐너를 사용한 강제 재생에 의한 종이 상자의 탄화 여부를 검증하였다.
일반적으로 DPF 재생 과정은 약 400 ℃∼600 ℃ 이상 영역에서 이루어진다. 비교 차량의 DPF 재생 및 강제 재생 시 배기구 끝단의 온도는 약 311 ℃∼366 ℃ 영역으로 이는 박스류의 발화점에는 다소 부족한 온도로 측정되었다. 그러나 박스의 탄화 형상 및 보고된 논문의 soot loading 등을 고려해보면, 재생 조건 및 DPF 내부의 soot에 따라 측정값 이상의 고온 영역이 형성될 수 있을 것이다. 배기가스의 고온이 박스 등을 가열하여 열분해시키고, 내부에서 축열 및 발열 과정이 형성된다면, 화재가 발생될 수 있을 것으로 사료된다. DPF의 과열뿐만 아니라 재생 과정에 의한 발화 가능성도 고려한다면, 화재 원인 조사 과정에서 신뢰성이 향상될 것이다.
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