> В том то и дело что это только в теории и по логике вещей. А на
> практике,
> при включенном кешировании, nginx плюет на proxy_max_temp_file_size и
> пишет, сколько ему нужно.

Вы опять пытаетесь смешать в кучу кеширование и этот параметр!
И в качестве доказательства приводите размер файла в кеше!
И правильно! В кеше будет лежать весь файл целиком!
А как иначе? Откуда он возмет недостающий размер, если вы его "ограничили"?
Т.е. чтобы ограничить размер файла в кеше - единственный путь чтобы они туда не попадали!
А для этого у вас есть только proxy_no_cache с не пустым значением для случая, когда ответ бекенда будет превышать некоторое ваше значение! Сумеете ли вы инициализировать такую переменную или нет - ваше дело и возможности nginx.
Только proxy_max_temp_file_size ну ни каким боком не связан с кешированием и ограчением максимального размера файла в кеше.
И если непонятно, то просто прочтите его описание еще раз.