OBD 고장 코드를 이용한 엔진 화재 분석 기법에 관한 연구

2.1 OBD

차량 엔진 및 전자장치 작동 명령은 ECU가 제어하며 입력센서 정보를 이용해 내부 로직으로 평가, 출력제어를 시행하게 되는데 OBD 인터페이스에 기반한다. OBD 인터페이스는 국제 규격으로 자동차 제조사는 이를 준용하게 된다. 본 연구에서는 OBD 인터페이스 기능중 자기진단에 주목한다. Fig. 1은 표준화된 자기진단 커넥터이며 SAE J1962 Standard OBD-2 16PIN Connector를 나타내고 있고 운전석에서 2 inch 내에 위치하게 된다.⁵⁾ 차량 하부에 장착된 본 커넥터로 ECU가 OBD 자기진단을 통해 평가한 시스템 고장 정보를 본 커넥터를 통해 외부의 자기진단기로 전송해주는 역할을 한다. OBD 진단 항목은 Catalyst, Exhaust Gas Recirculation, Positive Crankcase Ventilation, Evaporative System, Fuel System, O₂ Sensor System 등 엔진 및 관련 흡배기 시스템 전체를 통할 한다. 따라서 화재에 의한 소훼 발생시 OBD 자기진단 기능으로 엔진 시스템 고장 정보를 이용해 발화, 화재 원인 분석에 객관적인 자료로 활용 가능하다.

Fig. 1

SAE J1962 standard OBD-2

2.2 센서 모니터링

Fig. 2의 Sensor curve는 정상적인 센서 출력을 의미한다.⁶⁾ 이때 센서와 연결된 회로 단락, 단선 발생시 관련 회로 전류 및 공급전압이 비례 상승 및 하강하게 되면 그래프 2번, 5번과 같이 OBD 시스템은 ‘Signal Rang Check’와 관련된 고장코드를 출력하게 된다. 이때 시스템 구동의 신뢰성을 보장하기 위해서 ECU는 Fail safe mode로 정형화된 로직을 적용하지만 회복이 불가능 할 경우 한계를 벗어나 관련 기능 수행은 중지되며 그래프 3, 4와 같이 “Out of Rang Check” 고장 코드를 출력하게 된다. 또한 관련 시스템 기능 이상이 발생하면 그래프 6과 같이 센서 모니터링 단계에서 이를 검출하여 “Rationality Check”와 연관된 기능이상 혹은 성능 이상에 대한 고장코드를 출력하게 된다. 즉 화재에 의해 관련 센서 회로가 단선, 단락이 발생되는 경우나 기능상 문제점이 발생될 경우 각각 고장코드가 발생되는데 이때 출력되는 고장코드를 구체적으로 분석 할 경우 차량 화재 원인에 대한 객관적 접근이 가능하게 된다.

Fig. 2

Sensor monitoring

3.1 화재 개요

화재 차량은 J 社의 2012년형 XJ모델로 디젤 엔진을 탑재했으며, 감식 당일 기준 주행거리는 231,416 km이다. 운전자 진술에 따르면 운전 중 차체 떨림(엔진부조)이 감지되고, 신호 대기 중 머플러에서 연기가 나오는 것을 확인 후 119 신고하여 소화 작업이 시행되었다. Fig. 3을 통해 차량의 전방보다는 후방 부위의 화재가 집중 되어 있었으며, 이는 전술한 운전자 진술(머플러 연기 목도)와 일치 한다.

Fig. 3

The scene of a fire

차량의 정비이력상 최근 관련 작업은 없었고 사고발생에 의한 외관 및 내관의 손상은 없었다. 운전자는 주행중 변속 충격, 승차감 및 이상 소음에 대한 증상은 발견하지 못했다. 또한 자동차 내외부 튜닝 및 기타 임의 장치를 추가 장착하지 않았다.

3.2 화재차량 상태

Fig. 4(a), (b)와 같이 차량의 전면 및 후면 확인 결과 화재에 의한 소훼 부위는 확인 하지 못했다. 특히 엔진룸 부위에 대한 감식 결과 각종 오일 누유 및 파손 흔적을 찾을 수 없었으며, 엔진룸 정션박스 및 기타 전장 릴레이의 단락에 의한 퓨즈의 끊김 및 용융흔은 찾을 수 없었다. 한편 운전자 진술 중 주행중 엔진 부조 현상이 있었다는 내용에 따라 디젤 엔진의 연료 시스템 및 압축압력 등에 대한 점검 실시 결과 정상이었다. Fig. 4(c)와 같이 차량 실내 확인 결과 운전석은 소훼 흔적이 없었으나 Fig. 4(d)와 같이 조수석 시트 및 암레스트 콘솔 부위에 화재에 의한 소훼 흔적을 찾을 수 있었다. 통상 본 부위의 소훼 발생의 원인으로는 암레스트 내부의 파워아웃렛 단자에 승객이 임의로 연결 사용한 전장품의 과열 및 단락으로 인한 화재, 조수석 시트 하단 부위에 버려진 가스 라이터, 프로판 가스를 봉입한 스프레이캔등의 과열 및 파열로 인한 화재, 시트 열선의 합선으로 인한 화재 등인데 각 사항을 확인 결과 관련된 원인에 의한 화재는 없었다.

Fig. 4

State of vehicle engine room and interior

3.3 OBD 진단 및 DPF 시스템

화재 차량 OBD 커넥터에 자기진단기를 장착하여 고장코드 조회 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 전술한 바와 같이 화재 발생 당시 소방청에서 확인한 주행거리는 231,416 km이며, Fig. 5(A)와 같이 고장코드 출력 당시 동일한 주행거리임을 확인하였다. 여기서 주목 해야 할 점은 화재 당시 계기판으로 확인한 주행거리와 고장코드에서 기록된 고장 상황에서의 주행거리가 일치한다는 점이다. 즉 화재 발생으로 인해 본 고장코드가 출력되었음을 객관적으로 입증되었다고 볼 수 있다.

Fig. 5

Overview of OBD code

한편 출력된 4가지의 고장 코드 중 현재 고장임을 나타내는 ‘관련성’ 부분이다. OBD 시스템은 고장코드 상황을 2가지로 분류하는데 과거 고장이었지만 현재는 회복된 시스템, 현재까지 회복이 되지 못한 시스템으로 나뉘며 Fig. 5(C)와 같이 ‘관련성’이 99 %는 현재 고장상황이며 회복 되지 못한 시스템을 의미한다. 따라서 Fig. 5(B)와 같이 이에 부합하는 고장코드 ‘P246300(Diesel Particulate Filter Restriction - Soot Accumulation)’을 분석 대상 코드로 상정한다.⁷⁾ Tables 1, 2는 ‘P246300’에 대한 정보를 정리하였다. P246300는 DPF 파손으로 인한 성능 저하시 출력되는 고장 코드로 DPF 필터 내부 파손, 막힘, 가스켓 누설등에 의해 차압센서의 출력전압이 비정상적으로 고정되는 경우 출력되게 된다. 관련 시스템은 배출가스와 직접적인 영향을 미치기 떄문에 엔진 ECU는 1회 진단에 의한 고장 검출시(1 Trip detection logic) 경고등 점등 및 관련 고장코드를 내부 메모리에 기록한다.

Table 1

OBD code(P246300)

Table 2

Diesel particulate filter restriction - soot accumulation

고장 예상 원인으로는 커넥터 접촉불량, DPF 차압센서 신호회로 이상, DPF 차압센서 결함, DPF 결함, DPF 진공파이프 막힘, 배기가스 누설, 인젝터 결함이 있다. 이를 정리하면 DPF, 인젝터 결함으로 정리 할 수 있는데 인젝터 불량의 경우 주행중 가속불량 및 배기가스 과다 누출로 연결된다. 이는 감식 당시 정상으로 판정되었고 운전자 진술과 일치 하지 않음으로 감식 대상에서 배제한다면 DPF 시스템이 화재에 의한 소훼 가능성 높음을 합리적으로 추론 할 수 있다. 따라서 DPF 시스템을 중심으로 화재 손상 여부를 감식할 필요가 있다.

한편 Fig. 6은 DPF 시스템을 나타내었다. 장착된 Differential Pressure Sensor은 피에조 압전소자를 이용하여 DPF 전후단의 압력차를 검출하고 0 ~ 5 V의 선형적 전압을 출력한다. ECM은 차압센서 출력신호를 이용하여 DPF 내부에 포집된 분진량을 검출하여 DPF의 재생 여부를 결정한다. 여기에 운전자의 운행조건(중부하 이상의 정속 주행 상태)만족시, 인젝터의 Post 1, Post 2 분사를 통해 배기가스 온도를 550 ~ 650 ^oC 상승시켜 DPF 재생을 실시한다.

Fig. 6

Overview of DPF system

3.4 발화개소

3.3에서 OBD 고장코드에 기반하여 발화 부위에 대한 분석 결과 DPF 시스템을 추론하였으며, Fig. 7은 관련 부위의 소훼를 나타내고 있다. Fig. 7(a)를 통해 차량 언더바디에 장착된 DPF에 조립된 Exhaust gas temperature Sensor B1S1의 단품 및 와이어링이 소훼된 흔적을 확인할 수 있었으나 배선의 단선 단락등은 확인할 수 없었고 언더 커버 및 하체 부위의 소훼 흔적이 광범위하게 분포되어있음을 확인하였다. 한편 언더바디 우측에 Hall이 발생되어있었다. Hall 주변부의 도장 벗겨짐과 관련 부위 부식이 동반 되어있었으며 수열 흔적을 확인하였다. 즉 외부의 열원에 의해 지속적인 수열로 도장 표면이 박리되었으며 이때 가해진 열원은 폭발 압력을 동반하여 Hole을 생성시켰음을 판단하였다. Fig. 7(b)는 DPF를 측면 각도에서 확인한 그림이다. 사진에서 확인할 수 있듯 DPF의 커버 부위가 파편 조직으로 형상화 되어있음으로 DPF 내부의 폭발이 일어났음을 확인할 수 있다. Fig. 7(c)는 DPF 내부를 확대한 것으로 필터 역할을 하는 Honey comb부위가 파손되어 외부로 돌출 되어있음을 확인할 수 있었다. 결국 Fig. 7(d)를 통해 DPF 내부 폭발로 인해 발생된 화염이 인접한 언더바디에 폭발 압력 및 수열을 하여 Hall이 생성되었음을 판단하였다. 한편 이 부위와 인접한 차량 실내부위는 프런트 조수석 시트 부위로써Fig. 7(e)와 일치한다.

Fig. 7

State of under body in a fired vehicle

3.5 화재원인 판단

본 차량의 DPF는 벌집 형상의 Wall flow type 세라믹 필터를 장착하였다. 내부는 방열판, Sus 재질의 캔, DPF 담체 크랙 방지를 위한 매트, DPF 담체 등으로 구성되어있다. 여기서 배기가스(PM)가 담체 내부에 퇴적되고 이를 인젝터 후분사를 통한 재생방식을 이용하여 일정 시기마다 약 600 ^oC 이상의 엔진 배기열로 태워 없앤다. 따라서 DPF는 고온 및 고압의 환경에 지속적으로 노출되어있다. 또한 차량 진동과 노면의 물리적인 충격, 저속의 단거리 주행이 반복될 경우 DPF의 재생이 불완전하여 Ring crack, Thermal crack, DPF melting 등 DPF 파손 비율이 높아진다.⁸⁾ 본 차량의 DPF는 이러한 고온, 고압환경에서 내구성 저하에 기인하여 폭발 압력을 노출, 화제로 연결된 경우이다. DPF 내부 폭발의 원인은 크게 4가지로 정리 할 수 있다.⁹⁾

첫째, 냉각이 불량한 상태에서 과부하 운전 조건에 노출된 경우이다. 과도한 공회전에 따른 운전시 외부 공기에 의한 주행 냉각 불량, 무리한 가속에 의한 순간적인 열냉각성능 저하, 과도한 RPM 유지에 따른 연료 과다 분사로 인한 배기열 폭증으로 DPF 내부를 과열, 폭발로 연결된다. 둘째, DPF 경고등을 무시하고 주행하는 경우이다. DPF 시스템에 문제가 발생되어 필터 내부에 PM이 다량 포집된 상태에서 과부하 운전 조건시 다량의 연소가 급속도로 진행 될 경우 DPF 외부 커버 금속 케이스가 용융된다. 또한 관련 시스템 고장에 따른 적절한 정비가 이뤄지지 않을 경우 성능저하로 인한 화재로 연결 될 수 있다. 셋째, DPF를 모니터링하는 차압센서, 온도센서가 불량시 재생 과정은 정상적으로 이뤄질 수 없으며 이때 PM의 과다 퇴적이 고부하 운전조건과 결합되어 급속 연소로 진행시 DPF 폭발로 연결된다. 넷째, 후분사 연료 주입이 연소실이 아닌 DPF 내부에서 발생된 경우다. 엔진 시스템 불량으로 점화시기 불량, 배기밸브 밀착 불량등이 발생 될 경우 DPF 내부에서 연료가 연소되면 비정상 연소 압력으로 진행되고 폭발로 연결된다.

본 화재의 경우 주행중 엔진 경고등 점등은 이뤄지지 않았음으로 DPF 시스템의 결함으로 볼 수 없다. 이에 따라 각 시스템을 계측하는 센서 및 관련 하드웨어는 정상으로 판단 할 수 있다. 더불어 발화 개소를 분석한 3.4를 통해 관련 센서가 정상임을 감안하면 전술한 2.2의 Fig. 2와 같이 센서 모니터링 시스템은 정상적으로 작동되었다고 판단 할 수 있다.

따라서 DPF 내부 폭발의 원인 중 첫쨰, 둘쨰, 셋쨰는 대상에서 제외된다. 한편 전술한 3.1에서 운전자 진술 중 ‘운전 중 차체 떨림(엔진부조)이 감지되고, 신호 대기 중 머플러에서 연기가 나오는 것을 확인’에서 이는 엔진 내부의 불안전 연소와 과다 연료 분사에 기인하여 화재 초기 발생된 증상으로 연료의 분사가 비정상적으로 이뤄졌음을 합리적으로 추론 할 수 있으며 DPF 내부에서 연료가 다량으로 연소되었음을 시사한다. 따라서 DPF 내부 폭발 원인 중 네 번째에 해당하는 가능성이 높은 것으로 분석된다.