В 1942 г. моторы М-105, устанавливавшиеся тогда ИР только на Пс-2, но и на истребителях Як-1, Як-7 и ЛаГТ-3. были очень дефицитными. Нередко случались перебои с их поставкой и на завод 22. В связи с этим конструкторы решили смонтировать на пикировщике моторы воздушного охлаждения М-82, не находившие тогда спроса у самолетостроителей (с ними в первой половине 1942 г. выпускали серийно только одну машину - ближний бомбардировщик Су-2). Они ожидали, что большая мощность, развиваемая М-82, будет способствовать улучшению летных данных Пе-2. Предполагалось, что М-82 частично или даже полностью смогут заменить M-105PA на серийных самолетах.
Ведущим конструктором но разработке варианта самолета с новыми двигателями назначили Л.Л.Селякова. Проектные расчеты показали, что характеристики Пе-2 с М-82 будут несколько выше, чем при использовании М-105РА и М-105ПФ. Конструкторы завода N 22 полностью переработали переднюю чисть мотогондол, моторамы, убрали из крыла ненужные теперь водяные радиаторы, на их месте расположили два дополнительных бензобака но 100 л каждый, а в корневых отсеках консолей смонтировали маслорадиаторы. Мощные 14-цилиндровые звездообразные двигатели конструкции А.Д.Швецова обладали большим весом и лбом, чем М-105. Центровка самолета значительно сместилась вперед даже несмотря на укладку я хвосте свинцового груза массой 68 кг.
Первый опытный экземпляр самолета с М-82 построили на заводе в г. Казани осенью 1942 г. Для этого переделали один из самолетов 31-й серии (N 19/31), выпущенный заводом N 22 в 1941 г. Кроме замены мотоустановки, на ном убрали носовой ШКАС, бортовой пулемет стрелка-радиста и поставили экспериментальную турель ВУБ-2 с пулеметом БК у штурмана. Помимо этого сняли бомбодержатели в гондолах, смонтировали более совершенный радиополукомпас РПК-10; колеса шасси вынесли на 60 мм вперед за счет удлинения подкосов, что позволило удержан капотажный утл в пределах 26-27, как и у варианта с М-105ПФ. Пустой опытный самолет получился примерно на 600 кг тяжелее серийного.
Эта машина проходила заводские испытания на аэродроме Арское поле под Казанью. Летные данные действительно оказались выше, чем у бомбардировщиков с М-105ПФ. Например, увеличились максимальные скорости полета на всех высотах, вырос практический потолок, сократился разбег. Но моторы М-82 ранних серий были весьма ненадежны. На заводских испытаниях 19/31 неоднократно фиксировались случаи выброса масла из суфлеров, приводящие к масляному голоданию и заклиниванию двигателя. Масло скапливалось в головках нижних цилиндров, что вызывало жесткий удар поршней и обрыв головок. Много неприятностей было связано с неудовлетворительным функционированием маслорадиаторов. ненадежной работой моторов на режиме малого газа.
Прошло шесть месяцев доработок и переделок, прежде чем в апреле 1943 г. завод N 22 рискнул выставить самолет на испытания в НИИ ВВС. Полеты майора А.М.Хрипкова с аэродрома г. Кольцове подтвердили результаты заводских испытаний. Если у земли самолет с М-82 лишь ненамного (458 км/час против 451 км/час) опережал машину с М-105ПФ. выпущенную в феврале 1943 г., то уже на средних высотах преимущество значительно увеличивалось. Здесь новый вариант Пе-2 обгонял не только отечественные самолеты с двигателями водяного охлаждения, но и американский Дуглас Бостон III {А-20С), являвшийся в то время одним из самых скоростных серийных средних бомбардировщиков мира. Пе-2 с М-82 на высоте 6200 м развивал скорость 547 км/час, тогда как Бостон III - 530 км/час на 4500 м. Новая машина также изрядно превосходила Бостон III но скороподъемности и потолку. За боевой разворот удавалось достичь 800 м вместо прежних 450-500 м. Большая тяга моторов резко сократила разбег - с 620 м у серийного самолета с M-105PA до 490 м (при форсировании М-82). Несколько улучшилась продольная и путевая устойчивость самолета. Новый вариант свободно летал на одном моторе.
Однако недостатков отметили, пожалуй, не меньше, чем достоинств. Громоздкие капоты моторов ухудшили обзор вбок из пилотской кабины. Но не это было главным: очень низкой оказалась надежность ноной мотоустановки, в эксплуатации она была сложной, капризной и иногда просто опасной. Пе-2 имел большую посадочную скорость, а более тяжелый вариант г М-82 садился на еще более высокой скорости. Новые моторы очень плохо работали на режиме малого газа и регулярно глохли, делая посадку сложной. И. наконец, имелся целый ряд эксплуатационных недостатков. Механики жаловались не то, что трудно подобраться к сливным кранам маслобаков. Новый моторы были и более прожорливыми, поэтому дальность полета по сравнению с вариантом с М- 105РА существенно уменьшилась.
По итогам испытаний в НИИ ВВС самолет 19/31 был признан недоведенным. Заводу предложили устранить выявленные дефекты и изготовить малую серию самолетов с моторами М-82. В документах того времени вариант Пе-2 с моторами М-82 предлагалось именовать Пе-4. однако это название не прижилось. Первые пять Пе-2 с М-82 завод 22 собрал в августе 1943 г. Как и в случае с разведчиками и учебными самолетами, машины с моторами М-82Ф выпускались как бы внутри 20-самолетных серий.
Первым был построен самолет N 1/226. затем сделали по одной-две машины в сериях с 227 по 243. а вот 244 серия почти целиком оснащалась швецовскими моторами. На этих самолетах внедрили все новинки, появившиеся к тому времени на серийных Пе-2, в том числе фонарь пилотской кабины со сдвинутой вперед мачтой радиоантенны и усовершенствованную турель у штурмана. Чуть раньше, чем на сериях с М-105ПФ, появился расширенный верхний люк. Неизменным осталось отсутствие пулеметов ШКАС у пилота и стрелка, что впоследствии подвергалось критике в строевых частях. Носовой ШКАС, например, часто использовался для пристрелки. В серии были восстановлены мотогондольные бомбоотсеки. Мясищев планировал продолжение работ по совершенствованию типа Пе-4 путем установки нового фонаря с турелью ФЗ, изменения конструкции средней секции фюзеляжа, по типу Пе-2Ф и увеличения внутренней бомбовой нагрузки, но этот вариант машины, названный Пе-4А. не был построен.
Из 32 изготовленных серийных Пе-2 со звездообразными двигателями военной приемке были сданы только 24. Несмотря на столь небольшое количество этих машин, они появились на фронте и участвовали в боевых действиях. Головной серийный самолет Пе-2 с М-82Ф испытали в НИИ ВВС только в феврале 1944 г. Из-за неудовлетворительной работы карбюраторов и высотных корректоров двигатели на высоте более 3000-4000 м не использовались на полную мощность, поэтому максимальная скорость самолета на второй границе высотности оказалась меньше, чем на первой границе (526 км/час). Главных же причин, сдерживавших серийный выпуск, было две: нехватка двигателей М-82Ф и очень низкое качество маслорадиаторов.
Весной 1944 г. небольшими партиями (по 3-5 самолетов) их стали направлять в строевые масти. Такие самолеты имела, например, одна из эскадрилий 99-го гв. орап, летом 1944 г. три машины получил 39-й орап, причем в этих полках с самолетов снимали тормозные решетки. Имелись Пе-2 с М-82 и в обычных бомбардировочных полках, но они также применялись по большей части в качестве разведчиков. На такой машине летал в конце войны командир 4-н ги. бад Горой Советского Союза генерал-майор Ф.Котляр.
