Bueno primero de todo felicitarte por el modelo que has construido, personalmente creo que es el más eficiente y llega a ahorrar cantidad de código el solo hecho de tener un front controller, el hecho de redirigir al index.php y procesar los controladores y las acciones desde alli es buena idea de hecho es la utilizada en Zend Framework. Bueno a lo que ibamos tienes problemas con Caching utilizando Smarty el problema es que Smarty es un producto es decir tienes problemas con las funciones propias de Smarty no un problema de diseño así que creo que tendrás más que suficiente con está dirección:
http://www.lacorona.com.mx/mario/smarty/smarty_manual_es/caching.html
espero que te sirva de ayuda.
Un consejo cuando estes en fase de desarrollo pon el
Código PHP:
$smarty->caching = false;