Sun un motore 2T monocilindrico omologato per la strada generalmente non supera i 9000 rpm, qundi tra un giro e l'altro passano 6,66 ms.
Ora, se la lettura di un valore analogico ha una latenza di 10 ms, più tutto il resto del codice, il tempo non è dalla tua parte.
Hai considerato l'opzione di utilizare 2 Arduino? Uno per regolare fisicamente il rapporto Aria/Benzina del carburatore e in base ai giri del motore e uno per leggere i valori analogici o digitali dei sensori (termocoppia, lambda, ecc ecc), e collegarli tramite seriale o I2C.
Potresti includere una semplice mappatura standard nel Primo Arduino che, in base ai valori ricevuti dal secondo, viene modificataogni volta che riceve dati.
In questo modo potresti avere un Arduino abbastanza veloce per rientrare nei tempi previsti e uno relativamente lento che aggiorna la mappatura del primo di volta in volta.
Naturalmente, almeno nel primo Arduino, ti conviene utilizzare gli Interrupt per la lettura dei giri, in questo modo non dovresti perdere nessuna iniezione ne accensione.